一种三单元磁四极透镜系统及其制备方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三单元磁四极透镜系统及其制备方法。本发明专利技术的三单元磁四极透镜系统包括：由三个透镜单元组成的三单元磁四极透镜组，以及穿过透镜组中心的束流输运管道；束流输运管道采用端密封结构，包括透镜管道主体、挡圈法兰、挡圈、O型密封圈和活法兰；采用双曲线柱面状磁极面使得四极磁场的磁等位面更加接近双曲线状，从而使对离子束的调试容易取得良好的聚焦效果；双曲线柱面状磁极面加工方程及磁极面加工断点坐标的给出，使得利用数控机床实现对高精度双曲线柱面状磁极面的加工变得非常容易；采用三单元透镜组使得对束流的调试更对称；透镜管道主体与活法兰之间的真空密封为端密封，使得输运管道的真空密封效果更好。

【技术实现步骤摘要】
一种三单元磁四极透镜系统及其制备方法
本专利技术涉及高能离子束磁透镜聚焦装置，尤其涉及一种三单元磁四极透镜系统及其制备方法。
技术介绍
在加速器的束流输运系统中，四极透镜是一种最常用的聚焦元件。特别是磁四极透镜，其特点是能产生恒定梯度的磁场，离开中心点越远，聚焦力越强。由于其拥有较强的聚焦能力，非常适合于对兆伏级加速器产生的高能离子束进行聚焦，所以磁四极透镜几乎成了束流输运系统中的通用器件。在设计制造磁四极透镜时，为了使产生的四极场中的磁等位面尽可能接近于正交双曲面，一般要求聚焦磁极面的形状必须为双曲线柱面状。由于过去机械加工双曲线柱面状磁极难度比较大，所以现有加速器束流输运系统中所用的磁四极透镜，几乎无一例外的选取聚焦磁极面的形状为圆柱面的一部分。由于磁四极透镜聚焦磁极面为圆柱面的一部分，所以其产生的聚焦磁场通常会发生一定程度的畸变，使聚焦磁等位面偏离双曲线状。这种导致四极聚焦磁场发生畸变的结果为：在实际使用中，现在通用的磁四极透镜组系统对离子束的聚焦效果常常不能令人满意，离子束聚焦束斑时常不能调控到所需的形状，有时甚至出现不规则的形状。另外四极透镜单元的结构为具有中心通孔的密封结构，其中心通孔用作束流输运管道通过透镜单元的穿行孔，由于束流输运管道的外径的大小与透镜单元中心孔的直径大小相当，以保证束流输运管道可以穿过透镜单元的中心孔，但管道两端的法兰均远大于透镜单元的中心孔。如果将穿过透镜中心的束流输运管道加工为一个整体，那么该束流输运管道将无法放入透镜单元组，所以，为安装及拆卸方便，一般将该输运管道加工为两体结构。现有技术中穿过四极透镜组中心的两体束流输运管道间的密封轴密封结构，其密封效果常常难以满足束流输运系统对高真空度或超高真空度的需求。
技术实现思路
针对现有技术中通用的二单元磁四极透镜组存在的对离子束聚焦效果不佳以及穿过透镜组中心的束流输运管道两体轴密封结构对束流输运系统真空度造成的影响，本专利技术提出一种三单元磁四极透镜组和穿过透镜中心的束流输运管道两体端密封结构，从而实现对高能离子束良好的聚焦和满足束流输运系统对高真空度和超高真空度的要求。本专利技术的一个目的在于提供一种三单元磁四极透镜系统。本专利技术的三单元磁四极透镜系统包括：由三个透镜单元组成的三单元磁四极透镜组，以及穿过透镜组中心的束流输运管道；三单元磁四极透镜组中的每一个透镜单元由磁轭和四个对称的磁极构成，每一个磁极的磁极面形状为双曲线柱面状，每一个磁极上缠绕有用以产生聚焦磁场的励磁线圈，四个磁极的双曲线柱面状磁极面的顶部构成的圆周称之为透镜单元的中心通孔，其直径为D；束流输运管道采用端密封结构，包括透镜管道主体、挡圈法兰、挡圈、O型密封圈和活法兰；其中，透镜管道主体端口处的外侧面设置凹槽；挡圈法兰将两个半环形的挡圈限定在凹槽里；在活法兰上设置O型密封圈的密封槽,透镜管道主体的顶端与活法兰之间设置O型密封圈；挡圈法兰中设置有多个通孔，与挡圈法兰中的多个通孔相对应，活法兰上设置有多个半透内螺纹孔；挡圈法兰的通孔与对应的活法兰上的半透内螺纹孔同轴，通过螺钉将两者锁定，从而使透镜管道主体与活法兰紧密连接成为一体，透镜管道主体的顶端面紧压设置在活法兰的密封槽中的O型密封圈形成端密封。透镜管道主体采用无磁不锈钢材料，如304号、310号或316号不锈钢任一种皆可；挡圈、挡圈法兰以及活法兰均采用和透镜管道主体相同的材料；O型密封圈采用氟橡胶密封圈，或者采用铝等软金属密封圈。三单元磁四极透镜每个磁极的磁极面形状均为严格的双曲线柱面状，磁铁铁芯以及磁极材料均选取磁性能良好的DT4电工纯铁。设定透镜单元的中心通孔直径为D，则双曲线柱面状磁极面加工方程为：或该方程即是利用数控机床进行双曲线柱面状磁极面的磁极加工时的运行方程。在加工制作双曲线柱面状磁极面磁极时，每个双曲线柱面状磁极面加工断点坐标为和Sd<6mm，此断点对应的磁极面加工方程为：Sd、D的单位选择为mm。如果选取的磁极面加工方程为则磁极面加工断点坐标应为和Sd<6mm，Sd、D的单位均选择为mm。如此加工而成的透镜单元中的四个双曲线状磁极组装完成后，两个相邻磁极面加工断点间的距离为2Sd，可使产生的四极磁场的磁等位面非常接近双曲线状，极大地减小了四极磁场因双曲线磁极面的有限尺寸而发生的畸变。励磁线圈使用的导线为铜导线，导线截面积的选择由实际使用时需要通过的最大电流Imax和冷却方式决定，选取自然冷却方式，单位面积电流密度不超过1.6A/mm2，导线截面积为Imax/1.6，单位为mm2。穿过透镜中心的束流输运管道由可拆卸的透镜管道主体和活法兰等部件组成，活法兰通过挡圈法兰和挡圈与透镜管道主体连接，透镜管道主体与活法兰之间的真空密封为端密封，以保证穿过三单元磁四极透镜组中心的束流输运管道具有良好的真空密封效果。本专利技术的另一个目的在于提供一种三单元磁四极透镜系统的制备方法。本专利技术的三单元磁四极透镜系统的制备方法，包括以下步骤：1)双曲线柱面状磁极面加工方程的确定：选择磁极面加工方程为：或将透镜单元的中心通孔的直径D代入上述方程得到数控机床的磁极面加工方程；2)磁极面加工断点的确定：根据双曲线柱面状磁极面加工方程，并按照在透镜单元两个相邻磁极面加工断点的距离，确定双曲线柱面状磁极面加工断点坐标；3)励磁线圈的匝数N及铜导线的截面S的确定：将最大磁场梯度Gmax和透镜单元的中心通孔的直径D的值分别代入公式：NImax＝0.01GmaxD2计算得每个磁极的安匝数，选取最大电流Imax，得到每个磁极的励磁线圈的匝数N，结合自然冷却条件选择铜导线的截面积S；4)穿过三单元磁四极透镜组中心束流输运管道的加工：完成透镜管道主体、挡圈法兰、挡圈和活法兰各部件的设计和加工；5)完成三单元磁四极透镜组的组装，将束流输运管道穿过三单元磁四极透镜组中心，挡圈法兰将两个半环形的挡圈限定在透镜管道主体端口处的外侧面的凹槽里；透镜管道主体的顶端与活法兰之间设置O型密封圈；挡圈法兰的通孔与对应的活法兰上的半透内螺纹孔同轴，通过螺钉将两者锁定，从而使透镜管道主体与活法兰紧密连接成为一体，透镜管道主体的顶端面紧压设置在活法兰的密封槽中的O型密封圈形成端密封。其中，在步骤2)中，若双曲线柱面状磁极面加工方程为则每个双曲线柱面状磁极面加工断点坐标为和若双曲线柱面状磁极面加工方程为则每个双曲线柱面状磁极面加工断点坐标为和其中，2Sd为两个相邻磁极面加工断点间的距离，Sd<6mm，Sd和D的单位均为mm。在步骤3)，励磁线圈使用的导线为铜导线，导线截面积的选择由实际使用时需要通过的最大电流Imax和冷却方式决定，选取自然冷却方式，单位面积电流密度不超过1.6A/mm2，导线截面积为Imax/1.6，单位为mm2。本专利技术的优点：(1)采用双曲线柱面状磁极面使得四极磁场的磁等位面更加接近双曲线状，从而使对离子束的调试容易取得良好的聚焦效果；(2)双曲线柱面状磁极面加工断点的合理选择，使得组装完工后的透镜单元相邻磁极面加工断点的距离仅为2Sd(Sd<6mm)，极大限度的减小了因磁极面尺寸有限而产生的四极磁场的畸变；(3)双曲线柱面状磁极面加工方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三单元磁四极透镜系统，其特征在于，所述透镜系统包括：由三个透镜单元组成的三单元磁四极透镜组，以及穿过透镜组中心的束流输运管道；所述三单元磁四极透镜组中的每一个透镜单元由磁轭和四个对称的磁极构成，每一个磁极的磁极面形状为双曲线柱面状，每一个磁极上缠绕有用以产生聚焦磁场的励磁线圈，四个磁极的双曲线柱面状磁极面的顶部构成的圆周称之为透镜单元的中心通孔，其直径为D；所述束流输运管道采用端密封结构，包括透镜管道主体、挡圈法兰、挡圈、O型密封圈和活法兰；其中，所述透镜管道主体端口处的外侧面设置凹槽；挡圈法兰将两个半环形的挡圈限定在凹槽里；在活法兰上设置O型密封圈的密封槽,透镜管道主体的顶端与活法兰之间设置O型密封圈；所述挡圈法兰中设置有多个通孔，与挡圈法兰中的多个通孔相对应，活法兰上设置有多个半透内螺纹孔；所述挡圈法兰的通孔与对应的活法兰上的半透内螺纹孔同轴，通过螺钉将两者锁定，从而使透镜管道主体与活法兰紧密连接成为一体，透镜管道主体的顶端面紧压设置在活法兰的密封槽中的O型密封圈形成端密封。

【技术特征摘要】
1.一种三单元磁四极透镜系统，其特征在于，所述透镜系统包括：由三个透镜单元组成的三单元磁四极透镜组，以及穿过透镜组中心的束流输运管道；所述三单元磁四极透镜组中的每一个透镜单元由磁轭和四个对称的磁极构成，每一个磁极的磁极面形状为双曲线柱面状，每一个磁极上缠绕有用以产生聚焦磁场的励磁线圈，四个磁极的双曲线柱面状磁极面的顶部构成的圆周称之为透镜单元的中心通孔，其直径为D；所述束流输运管道采用端密封结构，包括透镜管道主体、挡圈法兰、挡圈、O型密封圈和活法兰；其中，所述透镜管道主体端口处的外侧面设置凹槽；挡圈法兰将两个半环形的挡圈限定在凹槽里；在活法兰上设置O型密封圈的密封槽,透镜管道主体的顶端与活法兰之间设置O型密封圈；所述挡圈法兰中设置有多个通孔，活法兰上设置有多个半透内螺纹孔，多个半透内螺纹孔与挡圈法兰中的多个通孔相对应；所述挡圈法兰的通孔与对应的活法兰上的半透内螺纹孔同轴，通过螺钉将两者锁定，从而使透镜管道主体与活法兰紧密连接成为一体，透镜管道主体的顶端面紧压设置在活法兰的密封槽中的O型密封圈形成端密封。2.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜管道主体、挡圈、挡圈法兰和活法兰均采用无磁不锈钢材料。3.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述O型密封圈采用氟橡胶密封圈，或者采用软金属密封圈。4.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，对所述双曲线柱面状磁极面的磁极进行加工时的双曲线柱面状磁极面加工方程为：或5.如权利要求4所述的透镜系统，其特征在于，对于双曲线柱面状磁极面加工方程则每个双曲线柱面状磁极面加工断点坐标为和对于双曲线柱面状磁极面加工方程则每个双曲线柱面状磁极面加工断点坐标为和其中，2Sd为两个相邻磁极面加工断点间的距离，Sd<6mm，Sd和D的单位均为mm。6.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述励磁线圈使用的导线为铜导线，导线截面积的选择由实际使用时需要通过的最大电流Imax和冷却方式决定，选取自然冷却方式，单位面积电流密度不超过1.6A/...

【专利技术属性】
技术研发人员：任晓堂，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11