多极超导扭摆器磁体磁场设计

　　1　引言

　　在超导扭摆器磁体和超导二极磁体之后,多极超导扭摆器磁体已经在世界上各同步辐射光源被广泛的制造和应用[1-4],其优点是可以提高同步辐射光的通量和光子能量,提供质量更高的同步辐射光束。目前上海光源现有的多极扭摆器磁体是一期工程建造的常规磁体(W14),它具有8个周期,周期长度为140mm,气隙中心最大磁场强度为1. 944T,总长度为1. 12m,其特征能量可以由公式εc[keV]=0. 665E2[GeV]×B[T]计算得到,为15. 84keV,能够满足光子能量低于40keV的医学成像的需要,而同步辐射光治疗需要80keV到120keV的能量,其尚不能满足生物医学成像和治疗对高通量、高能量的同步辐射光的需求,并且其特征能量较低,样品处光子通量密度较国际先进水平低。为了满足对高能量和高通量密度同步辐射光的需求,把光子能量扩展到120keV,唯一的办法是提高磁场强度,因此二期工程计划设计制造一台多极超导扭摆器(SCW14),与W14相比, SCW14具有更高的特征能量和更大的能量覆盖范围,如图1所示。

　　SCW14的周期长度为140mm,气隙大小为22mm,气隙中心磁场强度为4. 2T,由21个磁极组成,其中主磁极有17个,每端各有2个端部磁极用于矫正磁场的积分值,其特征能量为33keV,覆盖的能量范围为20keV到120keV,可用于K边吸收成像、衍射增强成像、相衬成像、CT和微束放射治疗。为了尽量减小光源点尺寸, SCW14将安装在储存环低β值的短直线节上。SCW14磁体上所有的线圈计划使用Oxford公司的NbTi超导线制造,所有的主磁极线圈由两个绕组组成,并分别与两个端部磁极线圈串联,由两台独立的电源供电,通过这样的设计,磁体能在保持一定的励磁电流不变的条件下改变两个端部磁极线圈中的电流,从而达到矫正周期磁场的一次和二次积分的目的。SCW14的冷却拟采用液氦浸泡冷却的方式,其杜瓦拟采用零蒸发和高温超导电流引线技术,插入件的真空室拟采用液氮冷却的冷真空室。表1给出了SCW14磁体的主要参数,其中插入件参数K由公式K=0.934λu[cm]B[T]计算得到。

　　2　中心磁场设计

　　SCW14磁体的21个磁极是由21对跑道型超导线圈和极铁组成。所有的线圈都将采用截面为矩形的NbTi超导线绕制,这种超导线的特点是铜超比低,具有较高的临界电流密度,若采用性能更好的超导线,如铜超比更低的超导线或者有人工钉扎中心的超导线,则能更进一步提高超导磁体的磁场强度[1, 5]。表2给出了所用的超导线的技术参数。

　　图2给出了SCW14磁体的二维截面示意图,束流位置在气隙的中心沿X轴方向。图2(a)为一个磁极在X-Z面上的截面,每个磁极都由线圈和极铁组成,所有磁极共用上下两块轭铁,极铁和线圈通过与轭铁连接固定。跑道型线圈的几何参数如图2(b)所示。以图2(a)的模型为基础,在周期长度固定为140mm时对线圈宽度、线圈厚度、轭铁厚度和气隙大小做2D磁场的优化计算可找到能产生最大磁场的相应尺寸,以上各几何参数对磁场的影响如图3所示。