束流输运线二极磁铁磁场测量系统设计

发布时间：2020-10-22 11:58

　　 束流输运线磁铁磁场测量系统在加速器工程中意义重大,通过实际的磁场测量保证磁铁磁场参数达到设计指标要求。目前磁场测量手段很多,一般根据不同磁铁的磁场测量要求搭建相应的测量系统。华中科技大学质子治疗装置(HUST-PTF)的束流输运线系统中,采用二极磁铁来实现束流的偏转。二极磁铁的积分场均匀度和高阶谐波分量是磁场品质的主要考察指标,同时由于磁场品质要求高,需要一套高精度的磁场测量系统来开展磁场测量工作。本文针对束流输运线中30°二极磁铁的磁场测量要求,对磁铁磁场分布进行了设计和计算,确定了积分场测量方案并对一套完整的二极磁铁磁场测量系统开展了设计和研究,包括磁场测量系统的总体设计、磁场测量系统的误差分析、积分长线圈的设计等,具体工作如下:磁场测量系统的设计与待测磁铁磁场分布特点和磁场参数指标的要求密切相关,本文首先针对PTF束流输运线中的30°二极磁铁的磁场分布开展了设计和计算。由于30°二极磁铁要求工作在较宽的磁场范围,其铁芯在高低场情况下的饱和程度差别很大,所以设计难度和工作量较大。本文基于有限元软件OPERA/TOSCA,通过脚本建模,实现了磁铁优化计算,有效地降低了建模的复杂度。采用磁极开空气槽、极面垫补和极头切削等手段对磁铁结构进行优化,达到了磁场设计指标。最终得到的满足要求的磁场分布也是磁场测量系统分析和设计的依据。本文对一套完整的30°二极磁铁磁场测量系统的总体结构开展了设计,并基于磁场参数的要求,对磁场测量系统的随机误差和系统误差进行了分析,包括测磁室温度、电子设备的精度、设备的安装精度和线圈的加工精度等。最终确定了磁场测量系统硬件的选择标准和精度要求。本文针对30°二极磁铁磁场测量系统的核心部件——积分长线圈,开展了详细的分析设计和实验研究。本文对积分长线圈的主要参数进行设计和计算,基于误差分析提出了加工精度指标,并采用一个等比例缩小长线圈模型,研究验证了加工工艺方案,包括扁平多匝利兹线绕制和焊接工艺,线圈直边芯条弯曲嵌入骨架槽方案等。在此基础上,成功完成了全尺寸的积分长线圈的加工和实现,充分验证了设计方案的可行性。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM937
【部分图文】：

图 1.1 HUST-PTF 系统平面图表 1.1 HUST-PTF 主要参数参数 指标质子束最高能量 250MeV治疗用质子束能量范围治疗用束流流强70-240MeV0.4-4nA单步能量调节(对应 5mm 水深变化) ≤150ms旋转治疗机架运动范围等中心点定位精度±180°≤0.5mm最大剂量率扫描方式不小于 3Gy/min点扫描照射野范围 300mm×300mm

0 2500 5000 7500 10000 12500 15000050001000015000200002500030000BGaus()sH (Oersted)B(b)硅钢片 BH 曲线图 3.2 未优化的磁铁模型仿真好场区 0-3.5cm 采集 y 方向的磁密 By，如图 3.3 所示：

图 3.6 极面优化后的横向磁场误差 3.6 所示，极面优化后的结果显示在 0.83-1.62T 范围内横向场误差都在±，满足设计要求。维模型优化化前的三维模型极头的垫补优化需要多次修正迭代，工作量较大，适宜在窗口采用命令行过修改相关指令参数就可以实现快速建模，如图 3.7 所示极头未优化的四型及其仿真模型。
【参考文献】

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本文编号：2851565