多极磁体的制作方法

1.本发明涉及一种用于偏转带电粒子束的多极磁体，例如用于粒子加速器中的多极磁体。本发明还涉及用于粒子加速器的多极磁体和子组件的制造方法。


背景技术：

2.多极磁体包括多个磁极，并且除了其他方面，还用于偏转、聚焦或以其他方式改变粒子加速器中带电粒子束的特性。多极磁体可用于改变波束的整体方向、使波束聚焦或散焦、或校正波束中的像差。多极磁体是否适合执行这些任务在很大程度上取决于存在的磁极数量。具有四个磁极的四极磁体特别适合于使带电粒子束聚焦和散焦。多极磁体中使用的磁体通常是电磁体，包括绕在铁磁极上的载流导线。在现代粒子加速器驱动波束中，可以沿单个驱动波束使用包括电磁体的数千个多极磁体。
3.所提出的紧凑型直线对撞机(clic)加速器的驱动波束预计需要大约42000个四极磁体。因此，clic加速器可能会遭受近乎禁止的功耗，其中总估计使用量约为580mw。这代表了与发电和输送能力、以及加速器电源和冷却基础设施、环境影响以及与能源价格相关的重大运行成本有关的问题。预计有一大部分预测能耗(约124mw)将来自正常导电电磁体的损耗，而输送系统的效率以及水冷和泵送系统的能耗将加剧这种情况。为了解决这一问题，有人提出用能够通过相对于关联磁极移动永磁体材料来调整其磁场的永磁体来替换至少一些电磁体。这样的永磁体在早期专利申请pct/gb2011/051879中进行了描述，其内容通过引用并入本文。
4.可以预期的是，永磁体的使用将具有与clic加速器相关的若干优点，包括正常使用期间无需耗电、调整磁场时耗电量小、由于不需要大型电源或冷却而减少了基础设施、以及水冷却系统不会产生振动也不需要排出多余的热量。然而，由于永磁体材料成本昂贵且波动性大，并且难以烧结和磁化永磁体，可以预期的是，每个永磁体的前期成本可能高于同等电磁体的成本。此外，如熟练的技术人员将理解的，永磁体材料的移动是针对非常大的磁引力进行的，即永磁体材料对相对磁极的吸引力。此外，移动要求非常精确。事实上，可以设想的是，永磁体材料位置的所需精度可能小于10微米。达到所需的精度使得已知的布置非常昂贵。
5.本发明实施例的目的是至少缓解与已知布置相关联的一个或多个问题。


技术实现要素：

6.根据本发明的一个方面，提供了一种用于偏转带电粒子束的多极磁体，该多极磁体包括：多个铁磁极；以及多个永磁体组件，用于向铁磁极提供磁动势，至少一个永磁体组件具有提供多个分立(即，个体上分离和不同的)永磁体位置和多个永磁体的支架，每个永磁体固定在多个分立永磁体位置中的一个中。以不同配置固定多个永磁体中的每一个(即，改变固定在多个分立永磁体位置中的永磁体的数量)可允许采用模块化方法来提供具有不同磁场强度的多极磁体，从而降低了生产多极磁体的制造工艺的成本和/或复杂性。进而，
该布置还可以允许减小永磁体材料的所需移动范围，从而降低了定位系统的成本和/或复杂性。
7.此外，多极磁体可以使用比已知布置中使用的磁体更小的个体永磁体进行制造。在制造过程的烧结和磁化阶段两者中，更小的永磁体可比已知布置中使用的磁体更容易且更便宜地进行批量生产。由于吸引力降低，更小的永磁体也可更容易操作，因为这可能会使装配变得不那么复杂，即使永磁体的数量增加了。
8.在某些实施例中，多个分立永磁体位置在数量上可以大于固定在其中的多个永磁体。多个永磁体可以围绕至少一个永磁体组件的中心而对称地布置在多个分立永磁体位置中。附加或替代地，多个分立永磁体位置可以是分立永磁体位置的均匀间隔的阵列。均匀间隔的阵列可以是n
×
m分立永磁体位置的网格。
9.多个永磁体中的每一个可以彼此间隔开。多个永磁体中的每一个可以在形状和/或尺寸上彼此基本相同。多个永磁体中的一个或多个可以基本上是长方体。
10.可选地，至少一个永磁体组件可以包括界定多个分立永磁体位置中的一个或多个的壁的框架。一个或多个壁可以由非磁性材料形成。至少一个永磁体组件可以包括底座，壁的框架可以直立于底座上。底座可以由顺磁性材料形成。
11.在某些实施例中，多个永磁体中的一个或多个可以接合至底座。间隙可以在多个永磁体中的一个或多个和壁中的一个或多个之间延伸，这些壁界定多个分立永磁体位置中相应的一个位置。间隙可以至少部分地由粘合材料填充，该粘合材料接合到底座和多个永磁体中相应一个或多个永磁体。
12.至少一个永磁体组件可以包括多个开放式外壳，每个外壳界定多个分立永磁体位置中的一个。多个开放式外壳中的一个或多个可以由壁的框架和底座来提供。
13.在某些实施例中，多个开放式外壳中的每一个可以在形状和/或尺寸上彼此基本相同。多个开放式外壳中的一个或多个可以是连续的五面隔间。多个开放式外壳中的一个或多个在形状上可以与多个永磁体中的一个互补。
14.根据本发明的另一方面，提供了一种制造用于偏转带电粒子束的多极磁体的方法，该方法包括：提供具有多个分立永磁体位置的至少一个永磁体组件；将多个永磁体固定在多个分立永磁体位置中；以及布置至少一个永磁体组件以向多极磁体的铁磁极提供磁动势。
15.根据本发明的又一方面，提供了一种用于粒子加速器的子组件，该子组件包括：如上所述的多个多极磁体，这些多极磁体沿波束线设置，以偏转、聚焦或以其他方式改变沿波束线通过的带电粒子束的一个或多个特性，其中，多个多极磁体中的第一多极磁体的至少一个永磁体组件具有不同于多个多极磁体中的第二多极磁体的永磁体组件的配置。
16.在某些实施例中，配置的不同之处在于，第一多极磁体的至少一个永磁体组件可以具有与第二多极磁体的永磁体组件不同数量的多个永磁体。附加或替代地，配置的不同之处在于，第一多极磁体的至少一个永磁体组件具有的多个永磁体中的一个或多个可以被固定在与第二多极磁体的永磁体组件不同的多个永磁体位置中的一个或多个中。
附图说明
17.现在将参考附图，仅以示例的方式来描述本发明的实施例，在附图中：
18.图1a是根据本发明的实施例的多极磁体的示意性透视图；
19.图1b是图1的多极磁体的另一示意性透视图，仅显示多极磁体的永磁体；
20.图2a
‑
f是根据本发明的多个实施例的永磁体配置的示意性透视图；
21.图3是根据本发明的实施例的永磁体组件的示意性透视图；以及
22.图4是根据本发明的实施例的沿波束线设置的多个多极磁体的示意性透视图。
具体实施方式
23.图1a
‑
b显示了根据本发明的实施例的四极磁体10。四极磁体10具有四个铁磁极12a
‑
d，铁磁极12a
‑
d被布置为在它们之间提供波束线空间。在使用中，带电粒子(例如电子或正电子)的波束穿过波束线空间。四极磁体10还包括四个永磁体组件14a
‑
d，每个磁体组件14a
‑
d与铁磁极12a
‑
d中相应的一个铁磁极相关联。每个永磁体组件14a
‑
d包括向铁磁极12a
‑
d提供磁动势的永磁体材料。磁动势产生延伸至波束线空间中的磁场，以偏转、聚焦或以其他方式改变穿过其中的带电粒子束的一个或多个特性。
24.四极磁体10可以包括第一磁体帽16和第二磁体帽18，磁体组件14a
‑
d可以附接到第一磁体帽16和第二磁体帽18。具体地，磁体组件14a
‑
d中的两个可以附接到第一磁体帽16，而磁体组件14a
‑
d中的另外两个可以附接到第二磁体帽18。在使用中，磁体帽16、18可相对于铁磁极12a
‑
d移动，以改变每个磁体组件14a
‑
d和相关联的相应铁磁极12a
‑
d之间的距离，这从而改变了穿过波束线空间的磁通量。因此，波束线空间内的磁场强度可通过磁体帽16、18的移动而变化。如熟练的技术人员将理解的，磁体帽16、18的移动可以关于波束线空间对称。
25.磁体组件14a
‑
d可以在结构上彼此相同(最佳如图1b所示，其中磁极12a
‑
d和磁体帽16、18隐藏/不可见)。因此，如熟练的技术人员将理解的，关于磁体组件14a
‑
d之一所描述的四极磁体10的特征可同样适用于四个磁体组件14a
‑
d中的任何一个。在附图中，相同的附图标记用于等效特征，其中字母a、b、c和d表示磁体组件14a
‑
d中相关的一个。在替代实施例中，磁体组件14a
‑
d可以在结构上不完全相同。实际上，在根据本发明的实施例的任何一般多极磁体中，磁体组件14a
‑
d可以彼此不同。
26.永磁体组件14a包括多个分立永磁体位置20a和多个永磁体22a，永磁体22a为四极磁体10提供永磁体材料。多个永磁体22a中的每一个固定在多个分立永磁体位置20a中的一个中。术语“分立”应理解为表示个体上分离和不同的。因此，磁体组件12a具有有限数量的分立永磁体位置20a，多个永磁体22a中的每一个都必须固定在这些分立永磁体位置20a中。因此，永磁体22a中的每一个不能被放置在基本无限数量的位置中的一个中，也不能被放置在除分立永磁体位置20a中的一个以外的位置中。
27.在某些实施例中，如图1a
‑
b所示，多个分立永磁体位置20a和多个永磁体22a可以在数量上彼此相等，其中永磁体22a中的一个固定在多个分立永磁体位置20a中相应的一个中。对于给定实施例的磁体组件14a，分立磁体位置20a的数量是不可改变的。然而，永磁体22a的数量可以改变以调整四极磁体10的强度。因此，多个分立永磁体位置20a在数量上可以多于固定在其中的多个永磁体22a。四极磁体10的强度可以通过从一个或多个相应的永磁体位置20a中选择性地省略一个或多个永磁体22a而被降低。在这方面，如熟练的技术人员将理解的，许多不同的配置是可能的。
28.图2a
‑
f显示了根据本发明的实施例的磁体组件14a的各种非限制性配置，其中省略了具有更多数量的永磁体22a的连续图示实施例。可以容易地创建不同的配置，包括不同总数的永磁体22a和/或固定在多个永磁体位置20a中不同的一个或多个中的多个永磁体22a中的一个或多个，以针对沿着粒子加速器的波束线的给定点，提供展示期望磁场强度的四极磁体10，或期望的磁场强度范围。这可以为制造具有不同磁场强度的多极磁体提供模块化方法。因此，在多个四极磁体100、200的子组件100中，第一四极磁体110的永磁体组件14a可以具有不同于第二四极磁体210的永磁体组件14a的配置，如图4所示(其中沿其设置多个四极磁体100、200的波束线由虚线表示)。除了磁体组件14a的配置外，沿波束线设置的多个多极磁体在其他方面可以在结构上彼此相同。每个永磁体22a可以彼此具有相同的尺寸和形状，因为这可以进一步促进模块化方法。如所示实施例中所示，永磁体22a的形状可以是长方体。
29.如每个所示实施例中所示，多个分立永磁体位置20a可以作为均匀间隔或分布的阵列提供。这同样可以进一步促进模块化方法。因此，均匀间隔的阵列可以是n
×
m分立永磁体位置20a的网格。如图1a
‑
b所示，多个分立永磁体位置20a可以提供10
×
3永磁体位置20a的均匀间隔或分布的阵列。然而，不要求n
×
m分立永磁体位置20a的网格必须均匀。在某些实施例中，可以提供永磁体位置20a的分组或子集，每一组均包括尺寸和/或形状与其他组不同的永磁体位置20a。
30.每个布置的磁体22a可以布置在任何永磁体位置20a中。然而，永磁体22a可以围绕永磁体组件14a的中心而对称地布置在永磁体位置20a中。实际上，出于此原因，图2a
‑
f中的每个图仅显示了磁体组件14a的一半，因此磁体组件14a看起来具有5
×
3永磁体位置20a，而不是图1a
‑
b中所示的10
×
3永磁体位置20a。当然，在根据本发明的实施例的任何一般多极磁体中，可以提供任何数量的永磁体位置20a。
31.在某些实施例中，多个分立永磁体位置20a可以在每个永磁体22a之间提供间隔。因此，每个永磁体22a可以彼此间隔开。这可允许每个永磁体22a固定在永磁体位置20a中，而无需彼此连接，这可以促进磁体组件14a的制造。在某些实施例中，间隔可以在0.5mm和2mm之间。
32.如图3所示，磁体组件14a可以包括界定多个分立永磁体位置20a的壁24a的框架。壁24a可以在每个永磁体22a之间提供间隔。一个或多个壁24a可以部分或完全延伸穿过磁体组件14a和/或可以形成围绕磁体组件14a延伸的边界。一个或多个壁24a可以彼此相交，例如成直角。磁体组件14a还可以包括底座26a。在某些实施例中，壁24a的框架可以从底座26a延伸。底座26a可以是板。但是在某些实施例中，底座26a可以由磁体帽16、18中的一个提供。此外，每个永磁体22a的至少一个底面可以接合至底座26a，以将每个永磁体22a固定在永磁体位置20a中相应的一个位置中。然而，可以考虑其他固定手段，例如机械紧固件、螺钉等。通过粘合物质进行接合，可能比其他手段更快、更容易。
33.间隙(未显示)可以在每个永磁体22a和限定多个分立永磁体位置20a中相应的一个位置的壁之间延伸。用于将永磁体22a接合到底座的粘合物质可以至少部分填充间隙。因此，将永磁体22a接合到底座26a的粘合物质可以接合到每个永磁体22a的一个或多个面以及底面。这可以促进将永磁体22a保持在永磁体位置20a中，特别是通过抵抗一个或多个永磁体22a相对于底座26a的扭转和/或翻转移动(这可能由相邻永磁体22a之间的吸引力引
起)。
34.如图3所示，壁24a的框架和底座26a可以提供多个开放式外壳，该外壳界定每个永磁体位置20a。因此，每个开放式外壳都是连续的五面隔间。在使用中，每个永磁体22a至少部分地被容纳在开放式外壳中相应的一个外壳内。在某些实施例中，永磁体组件14a可以包括多个开放式外壳，这些外壳界定通过其他手段形成的永磁体位置20a，例如，可以在磁体帽16、18中提供多个凹部。
35.每个开放式外壳可以在形状和/或尺寸上彼此基本相同和/或可以在形状上与多个永磁体22a中的每一个互补。这可以促进模块化方法和/或提供具有围绕每个永磁体22a的外围延伸的恒定宽度的间隙。
36.本发明不限于任何前述实施例的细节。例如，尽管本发明在上文中是关于四极磁体描述的，但本发明涉及具有任何数量的磁极的多极磁体。在本说明书的整个描述和权利要求中，“铁磁”应理解为“软磁”和“磁渗透”的同义词，并且指的是至少10μ0的合理高磁导率，其中μ0是自由空间的磁导率。对于本发明，一种合适的铁磁材料是钢。但是，可以使用其他合适的铁磁材料。每个磁体可以是钕(ndfeb)磁体。壁24a的框架可以由非磁性材料形成，例如铝。底座可以由顺磁性材料形成，例如碳钢。
37.本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求和附图)可以以任何组合进行组合，但其中至少一些这样的特征是互斥的组合除外。除非另有明确说明，否则本说明书中公开的每个特征(包括任何所附权利要求和附图)可以由用于相同、等效或类似目的的替代特征取代。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅为等效或类似特征的通用系列的一个示例。
38.本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求和附图)中公开的特征中的任何新颖的一个特征或任何新颖的组合。权利要求不应被解释为仅涵盖前述实施例，还包括落入权利要求范围内的任何实施例。