螺线管线圈的设计与制造

一般而言，行波电子直线加速器在低能部分都是采用螺线管线圈的磁场来聚焦的，它不仅可以抵消高频场的散焦作用，而且可以克服束流空间电荷效应，克服因各种效应导致的束流横向发射度增长而引起的束流半径过分增长，甚至还可以抑制束流崩溃（BBU）效应。研究聚焦装置需要对电子在加速过程中的受力和运动状态进行充分的理论分析与数值仿真，据此给出最为优化的线圈参数。

1.参数设计

假定螺旋管线圈的中心为纵轴坐标原点，则沿纵轴的轴向磁场分布公式［1］可写为

式中：j 为线圈的平均电流密度，Am2；线圈长度为2L；R 和r 分别为螺线管线圈的外径和内径。

在前面动力学束流计算的基础上，编制程序求解以下包络方程［1-2］

式中：R 为包络；z 为纵向坐标；B 为螺线管产生的轴向磁场；ε 为束流初始发射度，单位为m0c·m （动量相空间的发射度单位，下同）；I 为束流强度；Rs为束团半径。这一方程利用降次法和差分法编程即可以求解。

举一个简单的例子，对于一个紧凑型加速器，考虑电子枪出束初始发射度为6.24 × 10-6 m0c·m，初始束流半径为1 mm，电流为200 mA，不同相位电子在加速管中的包络曲线如图7-20 所示，不难看出，一个微波周期相位变化为2π，束流外径处-0.5～2.5 相位的束流最大包络半径为1.8 mm，小于盘荷的3 mm 半径，符合设计要求。图7-21 所示为设计线圈的中心磁场大小，磁场强度范围为0.049～0.058 T。

图7-2　0 不同相位电子在加速管中的包络曲线(www.xing528.com)

2.线圈工程指标

在低能段聚焦系统的应用中，利用螺线管线圈所产生的纵向磁场对电子的横向运动进行聚焦是简便且有效的方法。它的基本原理是带电粒子在进入螺线管入口处时受到边缘场的影响产生的角向速度与元件中心区域的纵向磁场成分相互作用的结果。其典型设计指标［1］有以下几点。

图7-2　1 设计线圈的中心磁场大小

（1）聚束磁场可调范围达到20%。

（2）精度达到额定值的0.1%。

（3）稳定性优于0.1%。

（4）磁轴斜角小于10 mrad，同轴度小于0.25 mm。

（5）系统电源转换效率大于85%。

（6）具有一定的远程加载、卸载、励磁电流预置与回读、电流显示、运行状态分析与故障报警等智能化功能。