一种永磁型四极磁铁及其组装方法技术

本发明专利技术提出了一种永磁型四极磁铁及其组装方法，永磁型四极磁铁包括具有容纳腔的金属骨架、位于其容纳腔内且采用海尔贝克阵列形式排布的多个磁块、多个顶丝；各磁块的顶部分别通过多个顶丝与金属骨架内侧固定并向金属骨架中心挤压，使得相邻两磁块侧面紧密贴合且各磁块底部依次首尾相接围合形成一圆形空腔。本发明专利技术还公开了各磁块在金属骨架中的排布方式以提高成品率。本发明专利技术在组装上述永磁型四极磁铁时，使用一辅助工装完成，将各磁块固定到位后取出该辅助工装，然后进行磁中心测量，根据测量结果对四极磁铁骨架外圆进行机械处理，直至磁中心偏心量满足设计要求。

A permanent magnet quadrupole magnet and its assembly method

【技术实现步骤摘要】
一种永磁型四极磁铁及其组装方法
本专利技术涉及粒子加速器中的四极磁铁
，特别涉及一种永磁型四极磁铁及其组装方法。
技术介绍
四极磁铁是带电粒子束的聚焦元件。永磁型四极磁铁具有结构紧凑、无需供电供水、磁场稳定的优点，有助于使加速器达到更高的加速效率，除了加速器之外，也适合应用于其它需要小型化、高稳定性磁场的束流聚焦系统中。美国学者海尔贝克设计了一种永磁型四极磁铁结构，在该设计中，不同磁化方向的磁块紧密排列，但实际磁块之间有很大斥力，难以组装。为了克服组装困难问题，通常采用有内芯金属支撑的结构，但是内芯金属容易发生缓慢变形，四极磁铁形成的磁场也会随之变化，长期稳定性较差；并且内芯金属的存在减小了可供使用的束流孔径，容易使束流传输效率下降。另一方面，实际磁块具有磁场强度和磁化方向误差，采用如何的排布策略能够有效控制磁场总误差，是研制这种永磁型四极磁铁所要解决的关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出了一种永磁型四极磁铁及其组装方法。本专利技术是一种无内芯的永磁型四极磁铁，其磁场稳定性好、束流传输效率高。本专利技术中各磁块的排布方式能够在保证磁场精度的条件下放松对单个磁块的磁场精度要求，从而减少磁块误差对组装后总磁场的影响，提高磁场品质。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提出的一种永磁型四极磁铁，其特征在于，包括具有容纳腔的金属骨架、位于该金属骨架容纳腔内且采用海尔贝克阵列形式排布的多个磁块、以及多个顶丝；各磁块的顶部分别通过多个所述顶丝与金属骨架内侧固定并向金属骨架中心挤压，使得相邻两磁块侧面紧密贴合且各磁块底部依次首尾相接围合形成一圆形空腔，所有磁块所形成的四极磁场分布于该空腔区域中。进一步地，各磁块在所述金属骨架中按照以下原则排布：1)组装于所述金属骨架内的所有磁块的磁场强度尽可能相近；2)将磁块的设计磁化方向与实际磁化方向的角度差作为磁块的磁化偏角，且将磁块的设计磁化方向指向实际磁化方向为顺时针的定义为正磁化偏角、将磁块的设计磁化方向指向实际磁化方向为逆时针的定义为负磁化偏角，组装于所述金属骨架内的各磁块以磁化偏角同为正磁化偏角、负磁化偏角或者正负磁化偏角交替出现的形式布设。本专利技术还提出上述永磁型四极磁铁的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将所有磁块置于180℃环境中烘烤12小时，以使剩磁稳定；2)分别测量各磁块的磁场，筛除磁场强度、磁化偏角超过允许范围的磁块；3)根据上述测量结果选择磁场强度相近的磁块并对磁化偏角进行排序，使得各磁块的磁化偏角以同为正磁化偏角、负磁化偏角或者正负磁化偏角交替出现的形式布设；4)将按照步骤3)排布的所有磁块使用辅助工装装配至金属容纳腔内；所述辅助工装包括一体成型的底座和支撑柱，以及包覆在所述支撑柱外侧的支撑筒，该支撑筒的尺寸与所有磁块底部围合形成的圆形空腔的尺寸相匹配，且支撑柱与支撑筒之间的摩擦力小于支撑筒与各磁块之间的摩擦力；具体包括：4-1)将金属骨架放置在底座上，其中支撑柱和支撑筒均位于金属骨架的容纳腔内；4-2)将步骤3)选择的任一磁块放置于金属骨架内侧与支撑筒外侧形成的空间内，通过支撑柱和支撑筒对该磁块底部支撑，同时利用多个顶丝将该磁块的顶部与金属骨架内侧顶紧固定；顶丝与磁块之间放置无磁金属垫片；4-3)按照步骤3)确定的布设结果并采用步骤4-2)所述方法将剩余磁块依次固定于金属骨架与支撑筒之间；4-4)将辅助工装的底座和支撑柱从永磁型四极磁铁中抽出，各磁块通过侧面的挤压相互支撑；待所有磁块的变形稳定后取出支撑筒，并微调各顶丝使各磁块稳固；5)对装配好的永磁型四极磁铁进行磁中心测量，根据测得的磁中心位置，对金属骨架的外圆进行机械处理，使得金属骨架外圆与磁中心位置修至同轴并将外径修剪至最终设计值。本专利技术的特点及有益效果如下：本专利技术提出了一种无内芯支撑的永磁型四极磁铁及其组装方法。这种永磁型四极磁铁中各磁块截面为等腰梯形与矩形形成的结合截面。磁块之间依靠各梯形斜面之间紧密、稳固的配合在一起，互相支撑，不需要内芯金属。并且单个磁块能通过矩形部分与骨架内侧相配合，起定位作用。相比于有内芯的实现方式，本专利技术的无内芯永磁型四极磁铁的稳定性更好，可供使用的孔径范围更大，束流传输效率更高。此外，本专利技术还提出了永磁型四极磁铁中各磁块的排布方式，能够在保证磁场精度的条件下放松对单个磁块的磁场精度要求，从而减少磁块误差对组装后总磁场的影响，提高磁场品质。为实现没有内芯支撑的磁铁结构，本专利技术采用辅助工装完成装配，在装配工序的末尾阶段去除辅助工装。本专利技术采取与测量相结合的方式保证磁中心同轴精度。磁中心位置是磁铁形成磁场的中心位置，一般要求磁中心位置与永磁四极磁铁的同轴度越高越好。传统方法通过减少磁块磁场误差及提高装配精度保证磁中心同轴精度。在本专利技术中则引入了磁中心测量过程，进一步提高磁中心偏心量这一关键指标。所制造的永磁四极磁铁外径留有余量，在所有组装完成后，进行一次磁中心位置测量，再根据测量结果将四极磁铁外圆与磁中心位置修至同轴并将外径修剪至最终设计值。附图说明图1为本专利技术实施例的永磁四极磁铁结构示意图。图2为本专利技术实施例的单个磁块示意图。图3为本专利技术实施例的永磁四极磁铁磁块磁化方向示意图。图4为本专利技术实施例的装配辅助工装示意图。图5中(a)～(f)分别为本专利技术实施例中磁块采用不同排布方式的仿真计算结果图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术的保护范围。为了更好地理解本专利技术，以下详细阐述一个本专利技术提出的一种永磁型四极磁铁及其组装方法的应用实例。本专利技术提出的一种永磁型四极磁铁，其整体结构如图1所示，包括具有容纳腔的金属骨架2、位于该金属骨架2容纳腔内且采用海尔贝克阵列形式排布的多个磁块1、以及连接各磁块1与金属骨架2的多个顶丝3。金属骨架2的形状如图1所示，整体为一两端敞开的圆筒，其主要作用是稳固支撑其内部的磁块1。金属骨架2应有足够的强度，本实施例中金属骨架2的材料为不锈钢316L，厚度约为5mm。金属骨架2内侧有多个侧边相互平行的三角形脊，用于限制各磁块绕骨架中心轴线方向的转动。金属骨架2在对应每个磁块1位置处设有螺孔，螺孔处安装顶丝3，将相应磁块1挤向金属骨架2中心，使相邻磁块紧密贴合在一起。本实施例中对应每个磁块1位置处有3个螺孔，配合M3规格的顶丝3使用。金属骨架2内容纳有以海尔贝克阵列形式排布的16个磁块1，每个磁块1的形状及尺寸完全相同，其横截面是由一个等腰梯形与一个矩形构成的组合截面。矩形截面部分的磁块可与骨架2内侧三角形的脊相配合，有利于限制磁块绕骨架中心轴线方向的转动。等腰梯形的斜面起磁块间互相支撑的作用。各磁块1的顶部较底部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁型四极磁铁，其特征在于，包括具有容纳腔的金属骨架、位于该金属骨架容纳腔内且采用海尔贝克阵列形式排布的多个磁块、以及多个顶丝；各磁块的顶部分别通过多个所述顶丝与金属骨架内侧固定并向金属骨架中心挤压，使得相邻两磁块侧面紧密贴合且各磁块底部依次首尾相接围合形成一圆形空腔，所有磁块所形成的四极磁场分布于该空腔区域中。/n

【技术特征摘要】
1.一种永磁型四极磁铁，其特征在于，包括具有容纳腔的金属骨架、位于该金属骨架容纳腔内且采用海尔贝克阵列形式排布的多个磁块、以及多个顶丝；各磁块的顶部分别通过多个所述顶丝与金属骨架内侧固定并向金属骨架中心挤压，使得相邻两磁块侧面紧密贴合且各磁块底部依次首尾相接围合形成一圆形空腔，所有磁块所形成的四极磁场分布于该空腔区域中。


2.根据权利要求1所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，各磁块在所述金属骨架中按照以下原则排布：
1)组装于所述金属骨架内的所有磁块的磁场强度尽可能相近；
2)将磁块的设计磁化方向与实际磁化方向的角度差作为磁块的磁化偏角，且将磁块的设计磁化方向指向实际磁化方向为顺时针的定义为正磁化偏角、将磁块的设计磁化方向指向实际磁化方向为逆时针的定义为负磁化偏角，组装于所述金属骨架内的各磁块以磁化偏角同为正磁化偏角、负磁化偏角或者正负磁化偏角交替出现的形式布设。


3.根据权利要求2所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，各磁块的磁场强度偏差不超过1.5％，各磁块的磁化偏角不超过3°。


4.根据权利要求1所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，各所述磁块的截面相同，均为由等腰梯形与矩形形成的组合截面；其中，相邻磁块的梯形斜面互相支撑，矩形部分与金属骨架内侧配合用于磁块定位。


5.根据权利要求1所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，各顶丝与相应磁块之间设有金属垫片。


6.根据权利要求1所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，连接各磁块与金属骨架的多个顶丝沿金属骨架轴线方向等间距布设。


7.根据权利要求1所述的永磁型四极磁铁，其特征在于，沿所述金属骨架的轴向方向，各磁块的长度短于金属骨架的长度。


8.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：王百川，郑曙昕，张化一，王学武，王忠明，邱孟通，
申请(专利权)人：清华大学，西北核技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11