1、 ICS 27.120.99 F 91 DB34 安徽省地方标准 DB 34/T 32392018 超导回旋加速器 输运线二、四极电磁铁设计准则 Superconducting cyclotron Design criteria for the dipole and quadrupole magnet of beam line 2018 - 12 - 29发布 2019 - 01 - 29实施 安徽省市场监督管理局 发布 DB34/T 32392018 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
2、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：郑金星、宋云涛、刘海洋、张俊生、陈洁鹤、沈俊松、韩曼芬、张午权、朱小 亮。 DB34/T 32392018 1 超导回旋加速器 输运线二、四极电磁铁设计准则 1 范围 本标准规定了超导回旋加速器输运线二、四极电磁铁的术语和定义、二极电磁铁设计准则、四极电 磁铁设计准则和机械加工及装配精度要求。 本标准适用于超导回旋加速器输运线二、四极电磁铁的工程设计。 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
3、期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 1804 一般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差 GB/T 1184 形位和位置公差 未注公差值 GB/T 11345 焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定 DB34/T 3113 超导回旋加速器 输运线降能器设计准则 3 术语和定义 DB34/T 3113 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 束流包络 beam envelope 大量束流轨迹线在空间形成的几何体。 3.2 气隙 gap 两组磁极之间的空间区域尺寸。对于二极电磁铁是极面间距离，对于四极电磁铁是磁极内切圆
4、直径。 3.3 极面宽度 polar face width 电磁铁每个磁极极面横向方向的尺寸。 3.4 有效场区 good field 满足物理设计中磁场要求的空间区域。 3.5 磁铁有效长度 magnet effective length DB34/T 32392018 2 磁铁工作磁场所需要的物理长度，用来折合磁铁磁场的作用范围的尺寸。 3.6 极面旋转角 polar face rotating angle 质子束流相对入口和出口极面法线形成的夹角。 3.7 极面垫补 polar face padding 在给定极面宽度尺寸情况下扩大有效场区范围，补偿基本极面断开后引起的磁场性能变化。 4
5、 二极电磁铁设计准则 4.1 设计流程 二极电磁铁的设计流程如图1所示。 结构设计 磁场分布验证 物理设计要求物理设计要求 电参数及水冷 参数设计 优化 不满足 满足 图1 电磁铁设计流程图 4.2 物理设计要求 4.2.1 磁铁的最大偏转磁感应强度应满足式(1)的规定。 BR= 1 qc T 2 +2TE 0 . (1) 式中： B 磁铁的偏转磁感应强度，单位为T； R 磁铁的偏转半径，单位为m； q 在磁铁内传输的粒子所带电荷数； c 光在真空中的传播速度，单位为 m/s； T 在磁铁内传输的最高能量粒子的动能，单位为 Mev； E 0 在磁铁内传输的粒子的静能量，单位为 Mev。 4.2
6、.2 磁铁的二维横向中心线上有效场区的磁感应强度均匀度的范围应为 -510 -4 510 -4 。 DB34/T 32392018 3 4.2.3 磁铁的三维纵向磁感应强度在有效场区的积分均匀度应不大于 110 -3 。 4.3 结构设计 4.3.1 输运线二极电磁铁无特殊用途要求，宜选用H型结构。 4.3.2 材料选择：磁铁铁芯宜选用硅钢等低碳钢材料，线圈材料宜选用无氧铜。 4.3.3 电磁铁的线圈导线宜采用外方内圆结构，并采用内水冷的冷却方式，电流密度范围为2.5 A/mm 2 5.5 A/mm 2 。 4.3.4 磁极间的气隙高度应满足式(2)的规定。 g=2(1.5 y + 1 + 2
7、 ) . (2) 式中： g 气隙高度，单位为 mm； y 束流包络在垂直方向最大尺寸半高度，单位为 mm； 1 真空室腔体厚度，单位为 mm； 2 真空室腔体安装间隙，单位为 mm。 4.3.5 真空室腔体厚度的取值范围宜为1.5 mm3 mm。 4.3.6 真空室腔体安装间隙的取值范围宜为1 mm2 mm。 4.3.7 极面垫补宜选用的几种形式见图2，优先选用矩形垫补。 （a）矩形垫补 （b）梯形垫补 （c）正负垫补 （d）曲线垫补 图2 二极电磁铁极面垫补的几种形式 4.3.8 磁铁的励磁安匝数应满足式(3)的规定。 NI=0.8fgB10 3 . (3) 式中： NI 磁铁的励磁安匝数
8、，单位为 A； f 考虑铁芯中损耗的安匝数所乘的系数，范围应为 1.051.1 0。 4.3.9 铁线圈绕制时宜采用两层并绕方式，一并布置一个水路，线圈匝数应为偶数。线圈层数和每层 匝数布置应满足铁芯尺寸尽量小的原则。 4.3.10 磁轭在吊装和安装等其它作用下产生变形，磁轭面积宜为磁极极面面积的 1.151.25倍。 4.3.11 结构设计理论参考公式参见附录A。根据4.3.14.3.10及附录A的公式得到的设计尺寸确定 电磁铁的结构尺寸，采用磁场分析软件分析磁铁的二维平面磁场分布，其横向中心线上有效场区的磁感 应强度均匀度应满足4.2.2的要求，磁轭内部的磁场未出现严重磁饱和现象且最大磁感
9、应强度应达到 4.2.1中的要求，否则应对磁极宽度、安匝数等进行调整，并重新校核直至满足要求。 4.3.12 在二维磁场分布满足要求情况下，根据磁铁的结构模型分析其三维磁场分布，考虑端部效应， 对磁极端面进行削斜处理，三维纵向磁感应强度在有效场区的积分均匀度应满足4.2.3的要求。 DB34/T 32392018 4 4.4 电参数及水冷参数设计 4.4.1 电参数及水冷设计理论公式参见附录A。 4.4.2 冷却水应选用去离子水或等离子水。 4.4.3 磁铁一并线圈应布置一个水路，即线圈的冷却水路并联数应为线圈层数的一半。 4.4.4 冷却水的流速应满足取值范围为1.2 m/s2.6 m/s，
10、应满足式(4)规定。 v= Pd10 3 1.25 0.28l 1 1.75 . (4) 式中： v 冷却水的流速，单位为 m/s； P 线圈的水压降，宜选用的范围为(36)kg/cm 2 ； D 内水冷导体的孔径，单位为 m； L 单路水路长度，单位为 m。 4.4.5 线圈冷却水进口位置温度宜取值范围为1025。 4.4.6 线圈设计的温升应不超过25，如温升过高，应调整线圈设计方案，使其达到合适值。 4.4.7 励磁线圈导体内水流要求应为湍流，根据雷诺数可判断是否为湍流状态，雷诺数范围为 3000 13800。 5 四极电磁铁设计准则 四极电磁铁的设计流程参照 4.1。 5.1 物理设计
11、要求 5.1.1 传输能量不高于 200 MeV的束流，对应输运线四极电磁铁最大磁感应强度梯度宜不低于22 T/m。 5.1.2 磁铁的二维横向中心线上有效场区的磁感应强度梯度均匀度的范围应为-510 -4 5 10 -4 。 5.1.3 磁铁的三维纵向磁感应强度梯度在有效场区的积分均匀度应不大于110 -3 。 5.2 结构设计 5.2.1 理想的纯垂直四极场极面形状应满足双曲面方程，见式(5)。 xy= a 2 2 . (5) 式中： x平面坐标系横坐标变量； y 平面坐标系横坐标变量； a 双曲面的内接圆半径，单位为 mm。 5.2.2 双曲面的内接圆半径由束流包络尺寸决定，宜取值的范围
12、为束流包络半宽度的 1.52倍加上 真空室腔体厚度和真空室腔体安装间隙的尺寸。真空室腔体厚度和真空室腔体安装间隙设计参照二极电 磁铁的设计要求。 5.2.3 极面宽度的取值范围应为双曲面内接圆半径的 1.52倍。 DB34/T 32392018 5 5.2.4 磁铁的极面形状宜采用双曲线加直线段的方式进行垫补，双曲线断开点位置的横坐标宜取值范 围为双曲面内接圆半径的（1.31.5）倍，切线BC长短由切点与最低点位置确定，铁芯的轮廓曲线示 意图见图3， 为垫补厚度。定位用平台CD的长度取值范围为6 mm8 mm。 图3 铁芯轮廓曲线示意图 5.2.5 磁铁极颈的长度由线圈的尺寸决定。磁轭厚度宜取
13、值的范围为极面宽度的0.51.2倍，在数值 分析中进行校核验证，应保证轭铁内部不发生严重磁饱和，保证有效区内部的磁感应强度梯度大小。 5.2.6 铁芯和线圈导线选材和电流密度选择应参照4.3.2和4.3.3。 5.2.7 线圈的层数与每层线圈匝数的乘积是线圈每极总匝数，线圈层数和每层匝数布置应满足铁芯尺 寸尽量小的原则。 5.2.8 结构设计理论参考公式参见附录B。根据5.2.15.2.7和附录B中的理论公式的设计尺寸确定 电磁铁的结构尺寸，采用磁场分析软件分析磁铁的二维平面磁场分布，其横向中心线上有效场区的磁感 应强度梯度均匀度应满足5.1.2的要求，磁轭内部的磁场未出现严重磁饱和现象且最大
14、磁感应强度梯度 能达到5.1.1中的要求，否则需对磁极宽度、安匝数等进行调整，并重新校核直至满足要求。 5.2.9 在二维磁场分布满足要求情况下，建模分析其三维磁场分布，考虑端部效应，对磁极端面进行 削斜处理，三维纵向磁感应强度梯度在有效场区的积分均匀度应满足5.1.3的要求。 5.3 电参数及水冷参数设计 四极电磁铁电参数及水冷参数设计应参照4.4中二极电磁铁的设计，其中四极电磁铁的每极线圈宜 布置一个水路。 6 磁铁工程设计及工艺要求 6.1 总体要求 6.1.1 参照第4和第5章电磁铁结构设计和电参数及水冷参数设计，根据工程的实际要求，确定电磁 铁的工程设计尺寸。 6.2 机械加工和工艺
15、要求 6.2.1 未标注尺寸公差和未标注形位公差应按照 GB/T 1804、GB/T 1184 的规定执行，焊缝检测应按 GB/T 11345 的规定执行和评定。 6.2.2 铁芯选用的材料应具有高磁导率和低矫顽力，输运线电磁铁宜选用叠片铁芯结构。 DB34/T 32392018 6 6.2.3 线圈绝缘结构宜采用真空环氧浇注工艺，线圈固化后应适用于高辐射环境下，对地耐压测试宜 满足在6kV交流电压下 1 分钟无击穿。 DB34/T 32392018 7 附 录 A （资料性附录） 二级电磁铁设计参考理论公式 A.1 结构设计理论公式 A.1.1 磁极延伸距离 磁极延伸距离的计算公式如式（A.
16、1）所示。 2a 0 g =0.75-0.36 Ln 100 B B 0 . (A.1) 式中： a 0 磁极延伸距离，单位为 mm； B B 0 磁感应强度均匀度，由物理设计要求确定，宜不大于 0.0005。 A.1.2 有效场区宽度 有效场区宽度根据束流包络尺寸确定，宜满足式（A.2）的规定。 b=2 x . (A.2) 式中： b 有效场区宽度，单位为 mm； 安全因子，范围应为 1.52； x 束团径向半宽度，单位为 mm。 A.1.3 磁极极面宽度 磁极极面宽度应满足式（A.3）的规定。 P W =b+2a 0 . (A.3) 式中： P W 极面宽度，单位为 mm。 A.1.4 磁
17、铁有效长度和磁极极面面积 磁铁有效长度和磁极极面面积应分别满足式（A.4）和式（A.5）的规定。 L eff =R . (A.4) S 极 =10 -3 P W L eff . (A.5) 式中： L eff 磁铁有效长度，单位为 m； R 磁铁的偏转角度，单位为 rad； S 极 磁极极面面积，单位为 m 2 。 A.1.5 磁铁铁芯长度 磁铁铁芯的长度应满足式（A.6）的规定。 L iron =L eff -k 1 g10 -3 . (A.6) DB34/T 32392018 8 式中： L iron 铁芯长度，单位为 m； k 1 差值系数，在铁芯未发生严重磁饱和的情况下，范围应为 11
18、.15；在铁芯发生严重磁饱 和的情况下，差值系数应小于 1。 A.1.6 磁铁线圈每极匝数 磁铁线圈每极匝数初步设计宜满足式（A.7）的规定。 N dip = NI 2JS 0 . (A.7) 式中： N dip 二极电磁铁线圈每极匝数； J 导线的电流密度，单位为 A/mm 2 ； S 0 所选导线的截面面积，单位为 mm 2 。 A.1.7 线圈的径向和轴向宽度 每极线圈的窗口尺寸中线圈的径向宽度和线圈的轴向宽度应分别满足式（A.8）和式（A.9）的规定。 X=(X 1 + 0 )N 0 . (A.8) Y=(Y 1 + 0 )N 1 . (A.9) 式中： X 线圈的径向宽度，单位为 m
19、m； Y 线圈的轴向宽度，单位为 mm； X 1 导线径向宽度，单位为 mm； Y 1 导线轴向宽度，单位为 mm； 0 考虑线圈绝缘及绕制的松散度与不平度所留尺寸，范围应为 0.4 mm0.6 mm； N 0 每极线圈每层的匝数； N 1 每极线圈的层数。 A.1.8 磁极高度 线圈窗口尺寸中的磁极高度应考虑安装所留尺寸，磁极极面要露出线圈一段距离，以及双饼线圈之 间安装的不平度误差等因素，其尺寸应满足式（A.10）的规定。 h=Y+ . (A.10) 式中： h 磁极高度，单位为 mm； 极面与线圈底面距离，单位为 mm，取值范围宜为 25 mm30 mm。 A.1.9 线圈窗口的径向尺寸
20、 考虑线圈径向的不平度误差等，线圈窗口的径向尺寸应满足式（A.11）的规定。 L 径 =X+2 . (A.11) 式中： L 径 线圈窗口的径向尺寸，单位为 mm； 线圈窗口径向预留的安装间隙，单位为 mm，取值范围宜为 8 mm50 mm。 DB34/T 32392018 9 A.1.10 磁轭厚度 磁轭厚度应满足式（A.12）的规定。 h 轭 = S 轭 L iron . (A.12) 式中： h 轭 磁轭厚度，单位为 m； S 轭 磁轭面积，单位为 m 2 。 A.1.11 磁柱宽度和高度 磁芯回路中磁柱宽度和磁柱高度应满足式（A.13）和（A.14）的规定。 w 柱 =h 轭 10 3
21、 . (A.13) h 柱 =2h+g . (A.14) 式中： w 柱 磁柱宽度，单位为 mm； h 柱 磁柱高度，单位为 mm。 A.2 电参数及水冷设计公式 A.2.1 线圈电阻率 线圈在工作温度下的电阻率应满足式（A.15）的规定。 t = 20 1+t-20 . (A.15) 式中： t 线圈在工作温度下的电阻率，单位为 mm 2 /m； 20 线圈在 20温度下的电阻率，单位为 mm 2 /m，取值参见电工手册； 线圈的电阻温度系数，单位为 -1 ，取值参见电工手册； T 线圈的工作温度，单位为 ，取值范围宜为 6575。 A.2.2 线圈电阻 每极线圈电阻应满足式（A.16）的规
22、定。 R coil = t L S 0 . (A.16) 式中： R coil 每极线圈电阻，单位为 ； L 每极线圈导线长度，单位为 m，可由线圈最终尺寸计算确定。 A.2.3 线圈电压 每极线圈两端的电压应满足式（A.17）的规定： U=JS 0 R coil . (A.17) 式中： DB34/T 32392018 10 U 每极线圈电压，单位为 V。 A.2.4 线圈两端功率 每极线圈两端的功率应满足式（A.18）的规定： P=J 2 S 0 2 R coil . (A.18) 式中： P 每极线圈功率，单位为 W。 A.2.5 线圈温升 线圈温升计算公式如式（A.19） T= P10
23、 -3 4.2nq . (A.19) 式中： T 线圈温升，单位为 ； n 每极线圈的冷却水路并联数； q 每路冷却水的流量，单位为 L/s，可由冷却水流速和内水冷导体的孔径计算得出。 DB34/T 32392018 11 附 录 B （资料性附录） 四级电磁铁结构设计参考理论公式 B.1 励磁安匝数 磁铁每极的励磁安匝数可由公式（B.1）计算。 NI 极 = kGa 2 2 0 . (B.1) 式中： NI 极 四极电磁铁每极的励磁安匝数，单位为 A； k 设计余量系数，范围为 1.011.10； G 磁场梯度，单位为 T/m； 0 真空磁导率，值为 410 -7 Wb/Am。 B.2 铁芯机械长度 铁芯的机械长度应满足式（B.2）的规定。 L M =L eff -k 2 a . (B.2) 式中： L M 铁芯的机械长度，单位为 mm； L eff 磁场有效长度，单位为 mm； k 2 系数，范围为 0.751.14。 B.3 线圈匝数 每极线圈匝数应满足式（B.3）的规定。 N qua = NI 极 JS 0 . (B.3) 式中： N qua 磁铁每极线圈匝数。 _
