Мультипольная линза с круговой апертурой Советский патент 1981 года по МПК H05H7/04 

(54) МУЛЬТИПОЛЬНАЯ ЛИНЗА С КРУГОВОЙ АПЕРТУРОЙ

1

Изобретение относится к технике фокусировки и транспортировки пучка ускоренных заряженных частиц и может найти применение в фокусирующих устройствах. Преимущественно изобретение предназначено для жесткофокусирующего канала линейного ионного ускорителя и ионопроводов. Кроме того, изобретение может найти применение в СВЧ-приборах.

В настоящее время в электрофизических установках и ускорителях для создания стационарных магнитных полей, управляющих пучком ускоренных заряженных частиц, применяют мультипольные, т.е. дипольные, квадрупольные, секступольные и т. п. линзы, выполненные на магнитотвердых материалах. Известны мультипольные линзы, содержащие магнитные ярма и магнитотвердые бруски, а также, как правило, полюсные магнитомягкие наконечники 1.

Недостатками этих линз являются трудоемкость изготовле11ия, необходимость применения ярма сравнительно больщой толщины, большой рассеянный магнитный поток, а также при необходимости получения прецизионного рабочего поля использование полюсных наконечников со сложной формой профиля, что влечет за собой увеличение габаритов и-веса линз.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой линзе является магнит, содержащий кроме ярма четыре магнитотвердых бруска в виде прямых круговых цилиндров, намагниченных однородно в направлении, перпендикулярном их осевым сечениям 2.

Недостатками этого магнита являются большой рассеянный магнитный поток, необходимость применения сравнительно толстого ярма и большая величина погрещности воспроизведения рабочей гармонии поля. При необходимости уменьшения этой погрешности в эту линзу вводят полюсные наконечники либо 0руски сошлифовывают до получения продольной плоской лыски, обращенной в сторону рабочей области. Отмеченные недостатки усложняют конструкцию линзы, увеличивают ее внешний диаметр и вес. Эти недостатки обусловлены неЖэффективным распределением магнитного материала вокруг области.

Целью изобретения является повыщенне эффективности использования магнитотвердого материала при одновременном снижении погрешности воспроизведения заданного в рабочем пространстве магнитного поля, уменьшение толш,ины ярма, внешнего диаметра и веса мультипольной линзы, а также увеличение и регулировка рабочего поля. Цель достигается тем, что в линзе, содержащей ярмо и четыре магнитотвердых круглых цилиндрических стержня, в последний введены дополнительные стержни. Стержни устанавливаются в несколько рядов по окружностям вокруг аппаратуры. С целью регулировки величины рабочего поля в линзу введено устройство, смещающее в азимутальном направлении один ряд или группу рядов относительно другого ряда или группы рядов. На чертеже изображена четвертая часть однорядной шестнадцатистержневой линзы мультипольности К (К 1,2,3...), причем ярмо не показано. (Ось Z перпендикулярна плоскости чертежа XOY). Цель обеспечивается тем, что в ячейках немагнитного держателя 1 на одинаковых .расстояниях от оси линзы равномерно по азимуту устанавливаются круглые цилиндрические стержни 2 так, чтобы угол oi между вектором намагниченности Г стержня с текущим номером i и радиус вектор центра сечения этого стержня Ri удовлетворял соотношению i i К Yi, где К-азимутальная частота воспроизвоДИМОЙ гармоники поля (К 1.2...), Yi - полярный угол центра сечения стержня с номером в цилиндрической системе координат г, , Z (ось Z совмещена с осью линзы). Радиус R окружности, на которой располагаются центры сечений стержней первого ряда, и радиус сечения стержней выбираются так, чтобы обеспечить заданную апертуру линзы радиуса г. Стержни второго и каждого следующего ряда линзы располагаются аналогично стержням первого ряда, причем количество стержней в каждом ряду многорядной линзы и их радиусы поперечного сечения могут отличаться друг от друга, а магнитные моменты стержней одного и того же ряда, воспроизводящих одну и ту же гармонику поля, должны быть одинаковыми. Другое отличие предлагаемой линзы состоит в том, что в линзе может быть установлено устройство, позволяющее смещать в азимутальном направлении один ряд (или группу рядов) относительно другого ряда (или группы рядов). Поле линзы, воспроизводящей единственную гармонику .. и содержащей J рядов стержней, имеет гармоники других частот, появляющиеся из-за дискретности рас пределения магнитного материала в линзе, которые в сумме дают искажение ДВ основной гармоники В| . В частности при плотной упаковке линзы магнитным материалом стержней и одинаковом количестве стержней N во всех рядах при равенстве радиусов поперечных сечений стержней в пределах каждого ряда амплитуда основной гармоники поля находится из соотношения: BK(0-23nN Slr,(J.k,0){)- fij где Т (J, k, 0) определяется соотношениями; Т (J, 1,0)J, а при всех других соотношениях k и п T-(k+nN-H; . .MH-Sihar/N/ T(J-,n)2 l /|-3iny/M -- Nгде I -f модуль намагниченности стержней I, одинаковой для всех стержней линзы; Ri - радиус окружности, на которой расположены центры сечений стержней первого ряда. Наибольшая величина искажения ДВ в такой линзе определяет погрещност; S воспроизведения основной гармоники Вц : Г (,л,о).1(|,Гт(.,к,).&) Точность воспроизведения основной гармоники поля линзы принято характеризовать величиной погрешности $ на условном радиусе г ГУ, который обычно полагают равным .75.Го. Как видно из выражения (2) при безграничном увеличении чис-. ла стержней и рядов погрешность 3 стремится к нулю. На основании этого свойства стержневых многорядных линз, справедливого и при всех других способах упаковки линзы .магнитными стержнями, выбирается необходимое количество стержней и рядов так, чтобы удовлетворялось требование 3(P)4S, где 3 -предельно допустимая погрешность на радиусе г . Расчет линзы для произвольной частоты рабочей гармоники поля k ведется путем определения числа стержней в рядах, количества рядов, намагниченности I при обеспечении заданной амплитуды рабочей гармоники поля и заданной предельно допустимой погрешности. При этом, например, для плотноупакованной линзы используют выражения (1), (2) и (3). Например, если требуется найти размеры диполной линзы при В 1КГС, радиусе апертуры го 1 см, предельно-допустимой погрешности 0,01 на условном радиусе г 0,75г ,75 см, то в плотноупакованной линзе при использований магнитного сплава Sn,CO5 с величиной остаточной индукции Вр достаточно согласно выражениям (1) и (2) установить ряд, содержащий стержней. Внешний диаметр этой линзы при оавен 33 мм, а R 3,3 мм. Рассеянное поле в предлагаемой мультипольной линзе обусловлено неполной компенсацией потоков, создаваемых каждым стержнем во внешнем пространстве, и быстро уменьшается с увеличением числа стержней. По этой причине необходимая толщина ярма существенно меньще, чем в прототипе, а при большом количестве стержней применение ярма с целью увеличения рабочего поля линзы становится неэффективным н его можно не использовать. Регулировка величины рабочей гармоники поля осуществляется путем смещения в азимутальном направлении одного ряда (или группы рядов) относительно другого ряда (или группы рядов). Если рабочие магнитные потоки, создаваемые всеми рядами, совпадают, то рабочее поле максимально. При угле относительно поворота между смещаемыми рядами равном ® величина результирующего поля выражается равенством Bi-flB,biCos кв , где Bi и В г- величины полей в апертуре, которые создают каждая из смещаемых групп рядов по отдельности. Применением рядов, отвечающих различным значениям коэффициента к, можно изменять гармонический состав поля в апертуре линзы и в частности осуществить компенсацию нежелательных гармоник, создаваемых другими рядами стержней. Преимущества предлагаемой линзы определяются тем, что при возрастании числа стержней в ряду и добавлении дополнительных рядов повыщается точность воспроизведения рабочей гармоники поля, а во внещнем пространстве рассеянное поле уменьщается. При этом отпадает необходимость применять полюсные наконечники и ярмо, что позволяет уменьшить внешний диаметр линзы, возникает возможность наращивать поле и регулировать его величину и гармонический состав, что недостижимо в линзе (по прототипу). Формула изобретения 1. Мультипольная линза с круговой апертурой, содержащая однородно намагниченные перпендикулярно диаметральному сечению круглые цилиндрические стержни из магнитотвердого материала, установленные в ячейках немагнитного держателя па раллельно оси линзы, равномерно по азимуту, а также магнитомягкие ярмо, насаживаемое на держатель снаружи, отличающаяся тем, что, с целью увеличения рабочего поля, уменьщения поля рассеяния снижения погрещности воспроизведения рабочей гармонии поля, уменьшения внешнего диаметра и веса линзы в ячейках держателя установлены ряды стержней, вектор намагниченности каждого из которых образует с радиус-вектором центра сечения этого стержня угол в k раз больший, чем угол между этим радиус-вектором и полярной осью, наклоненной к медианной плоскости линзы под углом К где величина коэффициента k равна азимутальной частоте воспроизводимой гармоники рабочего поля. 2. Мультипольная линза по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью регулировки величины рабочего поля в линзе установлено устройство смещения в азимутальном направлении одного ряда или группы рядов относительно другого ряда или группы рядов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Мельников Ю. А. Постоянные магниты электровакуумных приборов СВЧ. М., «Советское радио, 1967, с. 138. 2.Свенсон Д. А. и др. Ускоряющая и фокусирующая система для ПИГМИ. Труды X Международной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, т. I Серпухов, 1977, с. 295 (прототип).