PMQ - trajni magnetni kvadrupol

Močni kvadratni magneti fokusirajo ionski curek

Prispevek od: Martti Nirkko, MSc Physik; Roger Hänni, Maschinenbautechniker HF,
Laboratorium für Hochenergiephysik (LHEP), Universität Bern, Švica

Na spletu od: 21.10.2011

Z 8 kvadratnimi magneti tipa Q-40-10-10-N smo na LHEP (Laboratory for High Energy Physics) Univerze v Bernu zgradili prototip PMQ (trajni magnet kvadrupol). Magnete smo razporedili v Halbachov valj, da bi ustvarili kvadrupolno polje. To je primerljivo z aplikacijo Izdelava Halbachovega niza; v našem primeru pa je bil Halbachov niz razporejen krožno in ne ravno.

Ta uporaba je privedla do znanstvene publikacije v angleškem jeziku – zgoraj desno jo je mogoče prenesti kot PDF.

Pri preverjanju magnetnih polj v PMQ z Hallovo sondo so bile potrjene simulacije, ki so bile predhodno izračunane z FEM (končnoelementna metoda).

Izdelki supermagnete.si so torej izpolnili naša pričakovanja. Po teh uspešnih preizkusih smo izdelali še 4 dodatne PMQ-je.

Skalarni potencial magnetnega polja v PMQ s smerjo magnetnega polja (rdeče: severni poli, modro: južni poli)

Vrednost magnetne gostote pretoka v PMQ, barvna lestvica od 0 (modro) do 1 Tesla (rdeče)

4 enote PMQ, nameščene na pospeševalniku

V seriji in na pravih razdaljah nameščeni (kot dve FODO-celi) štirje kvadrupoli služijo fokusiranju ionskega snopa H-, ki ga ustvarja naš pospeševalnik. Fokusiran snop ima ob zadetju mirujočega cilja (tarče) visoko intenziteto, kar vodi do višjih reakcijskih stopenj v tarčnem materialu.

Fizikalna pojasnila

Pri tej uporabi smo si pomagali z Lorentzkraft. Lorentzkraft je sila, ki deluje na nabiti delec, ko se giblje skozi elektromagnetna polja. Sila ima dve komponenti: električno in magnetno komponento. Prva komponenta deluje v smeri električnega polja, druga pa deluje pravokotno na magnetno polje in na tirnico delca. To pomeni, da je mogoče nabite delce pospeševati z električnimi polji, magnetna polja pa je mogoče uporabiti za odklanjanje delcev.

Če upoštevamo samo gibanje nabitega delca v magnetnem polju, lahko uporabimo tako imenovano pravilo treh prstov.

Uporabe Lorentzkraft so številne: na primer elektromotorji, diname na kolesih ali zvočniki delujejo s pomočjo tega načela. Seveda se pogosto uporablja tudi v fiziki delcev: pri pospeševalnikih se za manipulacijo z delčnimi curki uporabljajo magnetni multipoli. Dipoli (2 pola) ukrivljajo tirnico delca, kvadrupoli (4 poli) fokusirajo curek v vodoravni smeri in defokusirajo v navpični smeri ali obratno. Torej je mogoče hkrati fokusirati le v eno smer. Če pa izberemo preudarne razdalje med kvadrupoli, je mogoče na določeni točki vzdolž delčnega curka doseči tako imenovani pas žarišča. Tam je prečni presek curka minimalen. Pri tem Liouvillov izrek ni kršen.