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ICS 27.120.99 F 91 DB34 安徽省地方标准 DB 34/T 35692019 超导等时性回旋加速器 磁场垫补规程 Superconducting isochronous cyclotron Magnetic field shimming regulations 文稿版次选择 2019-12-25发布 2020-01-25实施安徽省市场监督管理局 发布 DB34/T 35692019 I 前 言 本标准按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。本标准由合肥中科离子医学技术装备有限公司提出。本标准由安徽省超导回旋加速器标准化技术委员会归口。本标准起草单位：合肥中科离子医学技术装备有限公司、中国科学院等离子体物理研究所、安徽省质量和标准化研究院。本标准主要起草人：丁开忠、李君君、许世文、周健、王重、潘结春、郝焕锋、邹春龙、姚凯、蔡斌、江峰、冯昌乐、夏贤峰、黄漪、宋云涛、陈永华、陈根、李实、冯汉升、刘璐、魏江华。DB34/T 35692019 1 超导等时性回旋加速器 磁场垫补规程 1 范围 本标准规定了超导等时性回旋加速器磁场垫补的涉及系统、技术指标、磁场垫补前操步骤、磁场垫补具体操作步骤。本标准适用于超导等时性回旋加速器磁场垫补。2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。DB34/T 3110-2018 超导回旋加速器 主磁铁气隙中平面磁场测量方法 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。3.1 磁场垫补 magnetic field shimming 为保证粒子的积分滑相在允许误差范围内，通过加工和调整回旋加速器各部件对其中的磁场进行修正的过程。3.2 超导等时性回旋加速器 superconducting isochronous cyclotron 利用超导磁体提供的磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中通过高频电场反复被加速，最终保证粒子的回转周期为常数或其误差保持在积分滑相要求范围内的装置。3.3 积分滑相 integrated phase slip 带电粒子回旋运动的相位相对于高频电压零相位点之差。3.4 平均场 average field 在极坐标下，距离回旋加速器中心的每个半径处，对极角各个点的磁感应强度求出的平均值。3.5 DB34/T 35692019 2 一次谐波场 1st harmonic field 在极坐标下，距离回旋加速器中心的每个半径处，对极角各个点的磁感应强度进行傅里叶分析后求出的磁场值。注：实际的一次谐波场计算方法参见附录A。3.6 等时场 isochronous field 其磁感应强度沿半径方向与粒子的能量同步增长，使粒子的回旋周期在加速过程中始终保持恒定的磁场。3.7 局域积分误差 local integral error 某一特定区域平均场与等时场的差值函数沿该区域所在半径的积分。注：实际的局域积分误差计算方法参见附录A。3.8 工作图 work diagram 由粒子的横向振荡频率和轴向振荡频率为坐标轴组成的二维图。3.9 中平面 median plane 回旋加速器的主机上下对称平面，粒子束在该平面附近运动。注：改写 DB34/T 3110-2018，定义3.2。3.10 标称电流 nominal current 超导线圈实际运行用于粒子出束时的标定电流。4 涉及系统 4.1 主磁铁系统 回旋加速器的主磁铁系统主要包括下列组成部分：a)上、下铁轭；b)上、下磁极；c)磁通道。4.2 磁场测量系统 4.2.1 回旋加速器的磁场测量系统主要为中平面轴向场磁测系统。4.2.2 根据具体磁场测量需要加入圆柱面径向场探测线圈磁测系统、引出轨道轴向场磁测系统等。DB34/T 35692019 3 5 技术指标 超导回旋加速器内部磁场的参考技术指标参见附录B。6 磁场垫补前操作步骤 6.1 准备模拟磁场 准备基于当前加速器模型的模拟磁场，用于和实际测量磁场进行对比。6.2 绘制回旋加速器二维参考网络 6.2.1 采用极坐标以俯视视角利用任意图形软件绘制回旋加速器中平面的二维参考网络。6.2.2 参考网络中应包含坐标轴、磁场测量起始极角、测量旋转方向（顺时针或逆时针）、超导线圈拉杆所在位置、磁通道所在位置等信息。6.3 建立磁场垫补数据库 6.3.1 利用模拟软件建立超导线圈偏移（包含垂直偏移、倾斜、水平偏移）的模型，形成超导线圈偏移数据库。6.3.2 利用模拟软件建立非周向对称改变磁极形状的模型，形成轴向一次谐波场数据库。6.3.3 利用模拟软件建立周向对称改变磁极形状的模型，形成轴向平均场数据库。6.4 确定轴向磁场的方向 利用霍尔探头的安装方向和轴向场磁测系统测得的轴向磁场正负确定磁场的方向。6.5 调整超导线圈位置 6.5.1 根据上拉杆和下拉杆的受力平衡调节超导线圈的垂直方向。调节完成后应进行磁场测量，中平面的径向平均场应减小；若增大，应重新评估上拉杆和下拉杆的调整量。重复该过程，直到中平面的径向平均场达到指定技术指标。6.5.2 根据上下拉杆的受力平衡调节超导线圈的倾斜和水平方向，并加入侧拉杆进行微调。调节完后应进行磁场测量，中平面的径向平均场、径向一次谐波场、轴向一次谐波场应减小；若增大，应重新评估上、下、侧拉杆的调整量。重复该过程，直到中平面的径向平均场、径向一次谐波场、轴向一次谐波场达到指定技术指标。6.6 探究中平面磁场测量的影响因素 6.6.1 超导线圈电流改变 6.6.1.1 超导线圈励磁到标称电流后进行磁场测量。6.6.1.2 继续励磁到 1.01 倍标称电流后进行磁场测量。6.6.1.3 比较前后两次磁场测量的结果，获得改变特定电流时，中平面各点磁场的变化。6.6.2 磁滞效应探究 6.6.2.1 超导线圈励磁到标称电流后进行磁场测量。6.6.2.2 降低超导线圈电流到 0。等待 1 小时。6.6.2.3 重复上述过程三次。DB34/T 35692019 4 6.6.2.4 比较三次磁场测量的结果，获得消除磁滞效应的励磁方式。6.6.3 上铁轭升降 6.6.3.1 超导线圈励磁到标称电流后进行磁场测量。6.6.3.2 降低超导线圈电流到 0。先吊起再合上上铁轭。6.6.3.3 超导线圈再次励磁到标称电流后进行磁场测量。6.6.3.4 比较前后两次磁场测量的结果，获得升降上铁轭给磁场测量带来的误差。6.6.4 中平面轴向磁测系统拆装 6.6.4.1 超导线圈励磁到标称电流后进行磁场测量。6.6.4.2 降低超导线圈电流到 0。先吊起上铁轭，卸装后再安装中平面轴向场磁测系统（包括磁测系统支撑）。6.6.4.3 超导线圈再次励磁到标称电流后进行磁场测量。6.6.4.4 比较前后两次磁场测量的结果，获得拆装中平面轴向磁测系统给磁场测量带来的误差。6.6.5 磁铁温度改变 6.6.5.1 将恒温室温度设定为某一温度 T1。6.6.5.2 超导线圈励磁到标称电流后进行磁场测量。6.6.5.3 改变恒温室温度至另一温度 T2。6.6.5.4 超导线圈再次励磁到标称电流后进行磁场测量。6.6.5.5 重复上述过程至各温度下均有磁场测量。6.6.5.6 比较几次磁场测量的结果，获得改变磁铁改变温度时，中平面各点磁场的变化。注：宜将恒温室温度设定为阶梯温度，每次设定完温度后应至少等待 1 天。6.6.6 总结以上因素产生的影响 总结以上因素对磁场测量产生的影响，用于对磁场测量数据进行符合实际情况的修正。注：在以上探究影响因素的实验中，宜选取某些半径进行测量。7 磁场垫补具体操作步骤 7.1 中平面轴向和径向磁场测量与分析 7.1.1 确定中平面上磁场测量的径向和角向的范围及间距。7.1.2 第一次测量中平面磁场时不应安装磁通道等引出系统。第二次测量中平面磁场时应安装磁通道等引出系统。根据确定的测量范围和间距，利用中平面轴向场磁测系统进行测量。应在测量过程中保持超导线圈电流恒定。7.1.3 利用磁场分析软件对磁场测量数据进行磁场分析，给出初步的结论与报告。7.2 无磁通道时垫补中心区轴向一次谐波场 7.2.1 同 7.1.1。7.2.2 利用中平面轴向场磁测系统对中心区进行测量。应在测量过程中保持超导线圈电流恒定。7.2.3 利用磁场分析软件对中心区各半径下的轴向磁场做一次谐波分析，得到轴向一次谐波场的幅值和相位。DB34/T 35692019 5 7.2.4 对于垫补量大于技术指标的半径区域进行轴向一次谐波垫补，确定垫补位置和垫补量。提出轴向一次谐波垫补方案。7.2.5 给出新的工程图和模型图。7.2.6 进行轴向一次谐波场垫补。7.2.7 重复以上步骤测量，直到无磁通道时中心区轴向一次谐波场满足技术指标。7.3 有磁通道时垫补引出区轴向一次谐波场 7.3.1 同 7.1.1。7.3.2 安装磁通道等引出系统后，根据确定的测量范围和间距，利用中平面轴向场磁测系统对引出区进行测量。应在测量过程中保持超导线圈电流恒定。7.3.3 利用磁场分析软件对引出区附近各半径下的轴向磁场做一次谐波分析得到轴向一次谐波场的幅值和相位。7.3.4 同 7.2.4。7.3.5 同 7.2.5。7.3.6 同 7.2.6。7.3.7 重复以上步骤测量，直到有磁通道时引出区轴向一次谐波场满足技术指标。7.4 垫补轴向平均场 7.4.1 同 7.1.1。7.4.2 安装磁通道等引出系统后，利用中平面轴向场磁测系统对中心区、加速区、引出区各半径进行测量。应在测量过程中保持超导线圈电流恒定。7.4.3 利用磁场分析软件得到中平面各半径处的轴向平均场。7.4.4 利用 6.6 中各因素对磁场的影响对轴向平均场进行修正。7.4.5 将修正后的轴向平均场与理论设计的轴向平均场（或等时场）做初步对比，利用各半径下测量值和设计值的差值计算局域积分误差。7.4.6 对局域积分误差大于技术目标的区域进行轴向平均场垫补。利用磁场垫补软件计算垫补区域和垫补量。提出轴向平均场波垫补方案。7.4.7 同 7.2.5。7.4.8 进行轴向平均场垫补。7.4.9 重复以上步骤测量，直到轴向平均场满足技术指标。7.5 垫补工作图 7.5.1 同 7.1.1。7.5.2 同 7.4.2。7.5.3 利用磁场分析软件得到工作图，与理论设计的工作图做初步对比。7.5.4 对工作图不同于技术目标的区域进行工作图垫补。提出工作图垫补方案。7.5.5 同 7.2.5。7.5.6 进行工作图垫补。7.5.7 重复以上步骤测量，直到工作图满足技术指标。7.6 垫补引出轨道处的轴向磁场 7.6.1 同 7.1.1。DB34/T 35692019 6 7.6.2 安装磁通道等引出系统后，利用引出轨道轴向场磁测系统对磁通道区域进行测量。应在测量过程中保持超导线圈电流恒定。7.6.3 利用磁场分析软件分析引出区轨道处的轴向磁场，与引出轨道处理论轴向磁场进行对比。7.6.4 微调磁通道的径向位置来垫补引出轨道处的轴向磁场。7.6.5 同 7.2.5。7.6.6 进行引出轨道处轴向磁场的垫补。7.6.7 重复以上步骤测量，直到引出轨道处的轴向磁场满足技术指标。DB34/T 35692019 7 A A 附 录 A（资料性附录）一次谐波和局域积分误差的计算方法 A.1 一次谐波计算方法 A.1.1 极坐标下，对于各个半径下进行磁场测量得到的磁感应强度 Bz()，对于某一特定半径，在区间0,2进行谐波分析，可用式（A.1）、（A.2）表示，对于一次谐波，n=1。201cos nzaBn d(A.1)201sin nzbBn d(A.2)A.1.2 一次谐波的幅值可用式（A.3）表示：22111=A ab(A.3)A.1.3 一次谐波的相位可用式（A.4）表示：111=arctan ba(A.4)A.2 局域积分误差计算方法 对于各半径下计算得到的轴向平均场 Bzaverage，局部半径区域r1,r2的局域积分误差可用式（A.5）表示：21 rzaverage isorBrBr d r(A.5)式中：Bzaverage 轴向平均场；Biso(r)特定半径处的等时场。DB34/T 35692019 8 附 录 B（资料性附录）磁场垫补的参考技术指标 B.1 磁场垫补的参考技术指标 磁场垫补的参考技术指标参见表B.1。表 B.1 磁场垫补的参考技术指标 序号 项目名称 项目缩写 技术指标 1 径向平均场 Br average 中平面的实际测量值宜不超过 10 高斯。2 径向一次谐波场 Br 1st harmonic 中平面的实际测量计算值宜不超过 10 高斯。3 轴向平均场 Bz average 与等时场的误差应使得积分滑相保证在目标范围内。4 轴向一次谐波场 Bz 1st harmonic未装配磁通道时，中心区中平面上的实际值宜不超过5 高斯。装配磁通道时，引出区中平面上的实际值宜不超过200 高斯。5 积分滑相 宜设定为 20度范围内。6 局域积分误差 Biso*dr 根据具体粒子和设定的积分滑相进行确定。DB34/T 35692019 9 参 考 文 献 1 DB34/T 3110-2018 超导回旋加速器 主磁铁气隙中平面磁场测量方法 _
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