楊 梅，鄧昌東，李 藜，康 文

（1.中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所東莞分部，廣東 東莞 523803；2.東莞中子科學(xué)中心，廣東 東莞 523808）

在建的中國(guó)散裂中子源（CSNS）是一個(gè)基于高能質(zhì)子加速器的多學(xué)科大實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它主要由1臺(tái)80MeV 負(fù)氫直線加速器、1臺(tái)1.6GeV快循環(huán)同步加速器（RCS）、兩條輸運(yùn)線、1個(gè)靶站和相應(yīng)的配套設(shè)施組成［1-2］。CSNS／RCS采用4折對(duì)稱的磁聚焦結(jié)構(gòu)，其磁鐵系統(tǒng)主要包括24臺(tái)二極磁鐵、48臺(tái)四極磁鐵（根據(jù)孔徑不同分為4類(lèi)）和36臺(tái)六極磁鐵，且二極磁鐵和四極磁鐵由帶直流偏置的25 Hz交流電源勵(lì)磁。對(duì)交流四極磁鐵來(lái)說(shuō)，交流磁場(chǎng)測(cè)量的主要內(nèi)容是高階時(shí)間諧波分量和動(dòng)態(tài)積分梯度傳遞函數(shù)，而直流磁場(chǎng)測(cè)量的主要內(nèi)容是高階空間諧波分量和積分梯度傳遞函數(shù)［3-4］。直流狀態(tài)下的磁場(chǎng)諧波分量是評(píng)價(jià)磁鐵磁場(chǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

在磁鐵批量生產(chǎn)前，建造了4臺(tái)樣機(jī)磁鐵并在直流狀態(tài)下用旋轉(zhuǎn)線圈測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了磁場(chǎng)測(cè)量。初步測(cè)量結(jié)果表明，磁鐵的所有系統(tǒng)磁場(chǎng)諧波分量均滿足設(shè)計(jì)要求，但3臺(tái)樣機(jī)磁鐵有部分非系統(tǒng)磁場(chǎng)諧波（主要是斜六極磁場(chǎng)分量）超差。本文通過(guò)磁場(chǎng)分析和數(shù)值仿真計(jì)算，采用一種簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)補(bǔ)償磁場(chǎng)諧波，以使最終所有樣機(jī)磁鐵滿足磁場(chǎng)質(zhì)量要求。

1 四極磁鐵概述

RCS中四極磁鐵具有交流勵(lì)磁和大孔徑的特點(diǎn)，4種孔徑磁鐵的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)相似，其主要設(shè)計(jì)要求列于表1。

表1 CSNS／RCS四極磁鐵主要設(shè)計(jì)要求Table 1 Specification of CSNS／RCS quadrupole magnet

在OPERA-2D［5］中進(jìn)行磁鐵極面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化；在OPERA-3D／TOSCA 中進(jìn)行三維磁場(chǎng)計(jì)算，通過(guò)端部削斜來(lái)降低系統(tǒng)磁場(chǎng)諧波；采用OPERA-3D／ELEKTRA 進(jìn)行磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性研究。

磁鐵采用四合一結(jié)構(gòu)，由鐵芯、線圈、各種輔助配件等構(gòu)成。鐵芯由0.5mm 厚帶絕緣膠的硅鋼片疊裝、加溫固化而成。為進(jìn)一步提高鐵芯機(jī)械強(qiáng)度，在磁極合適位置添加縱向拉桿，在磁鐵側(cè)面設(shè)有側(cè)拉板，兩端裝有不銹鋼端板。磁鐵線圈由中空無(wú)氧銅導(dǎo)線包聚酰亞胺薄膜和玻璃絲帶絕緣后繞制而成。每個(gè)極頭上的4個(gè)線圈一起疊繞，然后環(huán)氧澆注固化為1個(gè)線包，其總體形狀為馬鞍形。鐵芯和線圈分別制作，最后進(jìn)行磁鐵總裝［6］。

磁鐵的鐵芯分為4部分：硅鋼片、不銹鋼端板、側(cè)拉板和底板（圖1）。硅鋼片為高導(dǎo)磁性材料，不銹鋼端板為無(wú)磁性材料。側(cè)拉板和底板材料為成本低且易加工的Q235B，但其為導(dǎo)磁性材料，破壞了四極磁鐵的4折對(duì)稱性，使磁鐵結(jié)構(gòu)上下不對(duì)稱，從而引入額外的斜高階磁場(chǎng)，其中最大的是斜六極磁場(chǎng)。磁鐵鐵芯磁飽和程度越高，斜六極磁場(chǎng)越大。

圖1 RCS-QD 1／2截面示意圖Fig.1 Half cross section layout of RCS-QD

4類(lèi)磁鐵的極尖磁場(chǎng)均約為0.68T，但由于磁鐵鐵芯長(zhǎng)度和孔徑不同、磁軛相對(duì)寬度不同，因此鐵芯中的磁飽和程度不同。其中RCSQB磁鐵有最大的長(zhǎng)度孔徑比，磁飽和程度最低。磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明：除RCS-QB 磁鐵外，其他3臺(tái)樣機(jī)磁鐵的斜六極磁場(chǎng)分量均超過(guò)設(shè)計(jì)要求。

2 RCS-QD磁鐵的諧波補(bǔ)償方法

RCS-QD 磁鐵孔徑為253 mm，鐵芯長(zhǎng)度為510mm。首次測(cè)量結(jié)果顯示，在引出電流點(diǎn)上參考半徑R＝90mm 處的斜六極磁場(chǎng)分量為8.4×10-4。諧波補(bǔ)償?shù)乃枷胧鞘勾盆F更加對(duì)稱或降低其不對(duì)稱性，因此可通過(guò)改變底板的材料為無(wú)磁不銹鋼板或添加與底板材質(zhì)相同的頂板來(lái)滿足要求，而選用添加頂板的方案更為經(jīng)濟(jì)，通過(guò)三維磁場(chǎng)計(jì)算可確定頂板的厚度。

考慮鐵芯的疊裝系數(shù)及側(cè)拉板和底板的材料屬性，利用RCS-QD磁鐵對(duì)稱性，在OPERA／3D中建立1／4模型進(jìn)行計(jì)算。鐵芯表面的磁場(chǎng)分布如圖2所示，大部分磁軛中的磁感應(yīng)強(qiáng)度小于1.5T，僅在極頭兩端局部飽和。

圖2 RCS-QD三維模型Fig.2 3D model of RCS-QD

添加頂板使得磁鐵更加對(duì)稱，磁場(chǎng)斜分量減小。選用頂板厚度為25mm，計(jì)算所得斜六極磁場(chǎng)分量為0.94×10-4，與測(cè)量結(jié)果1.46×10-4接近。且采用這種補(bǔ)償方式對(duì)系統(tǒng)諧波影響甚小。

RCS-QC 樣機(jī)磁鐵采用與RCS-QD 樣機(jī)磁鐵相同的方式來(lái)補(bǔ)償諧波。

3 RCS-QA磁鐵的諧波補(bǔ)償方法

RCS-QA 磁鐵的長(zhǎng)度孔徑比最小，約為1.5，因此在引出電流點(diǎn)處磁軛最飽和，在極根處磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.8T，在下部磁軛處磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)1.5 T。在參考半徑R＝73 mm處，斜六極磁場(chǎng)分量為19.61×10-4，遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)僅采用增加頂板的方式來(lái)補(bǔ)償諧波時(shí)，磁場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果表明，頂板厚度至少為40mm，這對(duì)于尺寸較小的RCS-QA 來(lái)說(shuō)太大。因此采用另一種方法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償：首先在底板上嵌入兩條6mm 厚無(wú)磁不銹鋼薄片（這種薄片已有），增加磁阻，降低磁鐵的不對(duì)稱性；然后增加頂板，進(jìn)一步減小斜六極磁場(chǎng)分量。補(bǔ)償方案示意圖如圖3所示。

圖3 RCS-QA 磁場(chǎng)補(bǔ)償方案示意圖Fig.3 Schematic of RCS-QA magnetic field compensation

調(diào)整頂板厚度，分別對(duì)其進(jìn)行建模仿真計(jì)算，不同方案下磁鐵的斜六極磁場(chǎng)分量的分布趨勢(shì)如圖4所示。最終采用的補(bǔ)償方案為：在底板上插入6mm 厚不銹鋼薄片和在上部增加10mm厚的頂板，計(jì)算結(jié)果顯示，RCS-QA 磁鐵的斜六極磁場(chǎng)分量為-3.35×10-4。機(jī)械調(diào)整后進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量，該樣機(jī)磁鐵所有磁場(chǎng)諧波分量均能滿足設(shè)計(jì)要求，其中斜六極磁場(chǎng)分量小于1×10-4，機(jī)械調(diào)整可有效減小斜六極磁場(chǎng)分量。

4 結(jié)論

CSNS／RCS環(huán)上的3 種四極磁鐵樣機(jī)的低階磁場(chǎng)諧波分量超過(guò)設(shè)計(jì)要求，分析其主要原因是磁鐵鐵芯磁飽和，且磁鐵機(jī)械結(jié)構(gòu)不對(duì)稱。本文通過(guò)OPERA-3D仿真計(jì)算，提出了諧波補(bǔ)償方案，對(duì)RCS-QC和RCS-QD 兩種磁鐵采用添加頂板方式來(lái)降低斜六極磁場(chǎng)分量，對(duì)最飽和的RCS-QA 磁鐵采用頂板和底部添加不銹鋼薄片共用的方法來(lái)降低斜六極磁場(chǎng)分量。

圖4 不同補(bǔ)償方案下斜六極磁場(chǎng)分量Fig.4 Six-pole magnetic field component in different compensation situations

經(jīng)機(jī)械修正后，再次進(jìn)行旋轉(zhuǎn)線圈磁場(chǎng)測(cè)量，所有樣機(jī)磁鐵的磁場(chǎng)質(zhì)量均能滿足設(shè)計(jì)要求。該諧波補(bǔ)償方案被證明是可靠有效的，目前RCS環(huán)的四極磁鐵正在批量生產(chǎn)中。

感謝中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所實(shí)驗(yàn)工廠戴旭文廠長(zhǎng)及加速器中心磁鐵組人員的幫助。

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