高质量分辨率分析磁铁磁场测量及垫补

唐 兵，马瑞刚，崔保群，陈立华，马鹰俊，黄青华，马 燮，蒋渭生

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

串列加速器升级工程（BRIF）是以中国原子能科学研究院已有的HI-13串列加速器为基础，在其前端新建一台100 MeV、200μA 紧凑型回旋加速器和一台产生放射性核束的在线同位素分离器（BRISOL），在其后端新建一台能量增益为2 MeV／q的重离子超导直线增能器。BRISOL 装置可提供一百余种能量为0.5～15 MeV／q、强 度 为106～1011s-1的 放 射 性 核束。BRISOL 谱仪质量分辨率设计指标是20 000，要求分析磁铁磁场均匀性好于5×10-5，对于本装置的大型二极铁，欲达到如此高的磁场均匀性非常困难。加工厂家在设计、加工及后期垫补中采用了多种工艺及手段，最终大分析磁铁的磁场均匀性达到3×10-4的合同验收指标，但该磁场均匀性较BRISOL 分析磁铁的设计指标低1个量级，还需对磁铁进行后期的磁场垫补。本文将介绍该大分析磁铁的磁场测量及垫补。

1 BRISOL谱仪布局

BRISOL谱仪由4 块分析磁铁及四、六极透镜组成，如图1所示。为达到20 000的质量分辨率，该谱仪采用异能大小铁结构消除能量色散［1］，小铁系统（即预分析系统）由两块偏转半径550mm、偏转角度90°的二极铁反对称组成，该系统处于300kV 高压平台上。束流经加速管加速至最高300keV 后进入大铁系统，大铁系统（即主分析系统）由两块偏转半径2 500mm、偏转角度100°的二极铁反对称组成，主分析磁铁的基本参数列于表1。

图1 BRISOL布局图Fig.1 Layout of BRISOL

2 磁场测量

磁场测量采用一台四维运动测磁机，行程为1.5m×0.8m×0.2m（长×宽×高），水平旋转角度180°。采用大理石平台，由光栅尺定位，定位精度好于0.01 mm。磁场获取采用GROUP3公司带有温度补偿的霍尔高斯计，采用NMR 核磁共振高斯计对该霍尔高斯计进行标定。测量前需对磁铁电源及高斯计进行预热，图2为预热5h后，霍尔探头对一恒定磁场的测量结果随时间的变化关系，测量间隔为30s，11h内磁场波动好于2×10-5。

表1 BRISOL主分析磁铁基本参数Table 1 Parameter of analysis magnet for BRISOL

图2 霍尔探头测量磁场随时间的关系Fig.2 Measured field by Hall probe vs time

为获取磁铁整个好场区范围内的磁场分布，采用点测法进行磁场测量，测量步长为20mm。但由于该分析磁铁气隙小，磁极面范围较大，中心轨迹长4.5 m，且该磁铁为H 型磁铁，受内、外磁轭的限制，所以不能一次完成整个磁极面的测量。磁场测量中，借助激光跟踪仪，在励磁条件不变的条件下，将测量杆从磁铁入口和出口进入磁铁进行分区域测量，然后再将测量数据进行合并。将整个磁极面分为5个区域，减小测磁机行程。测量杆长3m，选用高强度的碳纤维管减小由于测量杆的重量造成的形变及运动过程中的颤动。测量杆内径为23mm，外径为25mm。霍尔探头通过1个探头固定块固定在碳纤维测量杆上。探头固定块上安装了2 个激光跟踪仪靶标，如图3 所示。霍尔探头与这两个激光跟踪仪靶标固定在一条直线上，且预先测量出探头与两个激光跟踪仪靶标的位置关系，当霍尔探头进入磁铁后，通过测量两个激光跟踪仪靶标相对磁铁的空间位置便可确定霍尔探头的位置。磁场测量中，保持磁铁位置不变，将测磁平台从磁铁的入口端移到磁铁的出口端，再采用激光跟踪仪测量探头固定块上两个靶标的位置就可得到霍尔探头相对磁铁的空间位置，实现5个区域测量数据的合并。

图3 霍尔探头固定块Fig.3 Holder of Hall probe

由于测量杆较长，故探头的颤动是造成测量误差的主要原因。测量过程中尽可能避免探头横向的远距离移动，并缓慢加、减速，当探头到达测量位置后，停留2s后再进行磁场获取，完成1次测量需约10h。

3 磁场垫补

提高二极铁磁场均匀性的常用方法有：1）在磁极边沿加铁垫补，为垫补积分场，还可在磁铁出、入口位置加各种不同尺寸的垫片［2］；2）Halbach［3］提出在磁极内设置垫补导线；3）磁极内加均匀气隙［4］；4）通过对磁极面进行反复的测磁再加工，从而得到满意的磁场分布。本文采用表面线圈［5］对磁铁磁场进行垫补。采用表面线圈的方法具有很多优点，它可在磁铁加工完成后进行，简化了磁铁的设计和制造工艺，对现有的磁铁也可使用这种方法对磁场进行优化。同时，该方法还具有设计简单、相对费用较低、占用磁铁轴向空间小等优点。表面线圈是在磁极的表面设置一定分布的电流导线，使之在气隙内产生与原磁场的不均匀量分布相同、方向相反的磁场，该磁场与原磁场叠加后，达到均匀磁场的效果。表面线圈的关键是确定导线的分布。表面线圈的方法巧妙地采用了原磁场分布的等势线，即沿原磁场的等势线设置电流导线，便可在磁铁气隙内产生与原磁场不均匀部分ΔB 分布相同的磁场分布。对表面线圈施加与主磁场相反方向的电流，即可得到与主磁场不均匀部分分布相同、方向相反的附加场，与主磁场叠加后达到垫补的效果。

因为每两根等势线对应的磁场变化量相等，所以每根等势线上的导线所需的电流大小相同。将这些导线全部串联起来，便只需1个电源即可为每根等势线上的导线供电。该电流取决于相邻磁场等势线的磁场差值。设δB 为相邻两条等势线磁感应强度的差值，流过相邻两个等场区分界线的电流强度即表面线圈的电流强度I≈GδB／μ0，其中，G 为磁铁气隙，μ0 为真空磁导率。

表面线圈的制造采用了电路板蚀刻工艺，绝缘基板厚1mm，铜箔厚0.15mm，双面板使电流连续分布，正面是奇数根等势线连接的导线，反面是偶数根等势线连接的导线，每根导线代表5×10-6T磁场变化量，即δB＝5×10-6T。将正、反面的导线连接起来，整个垫补线圈仅需1台电源供电。因为该线路板尺寸太大，无法一次加工成形，加工中将该电路板分成4块分别加工后再进行拼接，每块宽400mm、长1 200mm。

图4为磁铁中平面垫补前和垫补后磁场的二维分布，可看出，当表面线圈通以0.06A 电流时，磁场均匀性得到明显的改善。图5为垫补前、后中平面积分场均匀性的比较，垫补后积分场均匀性在好场区范围内好于3.5×10-5。

4 结论

BRISOL是HI-13串列加速器升级工程三大主工艺之一，是产生放射性核束的核心装置，其主要指标是产生放射性核束及实现20 000的质量分辨率，分析磁铁是达到高质量分辨率的关键设备。本工作解决了BRISOL 主分析磁铁测量范围大、气隙小、测量精度高等技术难点，完成了磁铁好场区范围内的磁场测量，获得了磁场分布情况。同时，采用表面线圈的方法对磁铁进行了磁场垫补，好场区范围内积分场均匀性由3×10-4提高到了3.5×10-5，达到了5×10-5的设计指标。该谱仪所有磁铁的磁场测量和垫补已完成，并已现场安装就位，正在开展束流调试。

图4 垫补前、后磁场均匀性分布Fig.4 Field uniformity distribution without and with surface coil

图5 垫补前、后积分场均匀性径向分布Fig.5 Integral field uniformity radial distribution without and with surface coil

感谢中国科学院兰州近代物理研究所及兰州科近泰基新技术有限责任公司在磁铁设计和磁场测量中给予的帮助。

［1］ 彭朝华，关遐龄，崔保群.HI-13串列加速器升级工程在线同位素分离器高质量分辨谱仪物理设计［J］.原子能科学技术，2006，40（2）：133-138.PENG Zhaohua，GUAN Xialing，CUI Baoqun.Physical design of high mass resolution spectrometer for ISOL［J］.Atomic Energy Science and Technology，2006，40（2）：133-138（in Chinese）.

［2］ WSXANDERER P，JACKSON J，JAIN A.The SNS ring dipole magnetic field quality［C］∥Proceedings of EPAC 2002.Paris：［s.n.］，2002：1 317.

［3］ HALBACH K.Field correction windings for iron magnets［J］.Nucl Instrum Methods，1973，107：515-528.

［4］ OKUMA Y.Measurements of inhomogeneities of magnetic fields in a model beam-analyzing magnet［J］.Nucl Instrum Methods，1972，102：317-325.

［5］ CZOK U，MORITZ G，WOLLLNIK H.Surface coils to improve the homogeneity of a given magnet［J］.Nucl Instrum Methods，1977，140：39-45.