PMQ - kwadrupol z magnesami trwałymi

Silne magnesy płytkowe ogniskują wiązkę jonów

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

Online od: 21.10.2011

Za pomocą 8 magnesów płytkowych typu Q-40-10-10-N zbudowaliśmy w LHEP (Laboratory for High Energy Physics) Uniwersytetu w Bernie prototyp PMQ (Permanent Magnet Quadrupole). Magnesy zostały ułożone w cylinder Halbacha, aby wytworzyć pole kwadrupolowe. Jest to porównywalne z zastosowaniem Wykonanie układu Halabacha; w naszym przypadku układ Halbach jednak został rozmieszczony w formie pierścienia, a nie liniowo.

To zastosowanie zaowocowało publikacją naukową w języku angielskim – można ją pobrać jako PDF w prawym górnym rogu.

Podczas sprawdzania pól magnetycznych w PMQ za pomocą sondy Halla potwierdzono symulacje uprzednio obliczone metodą FEM (Finite Element Method).

Produkty z supermagnete.pl spełniły więc nasze oczekiwania. Po tych udanych testach wykonaliśmy 4 kolejne PMQ.

Skalarne potencjały pola magnetycznego w PMQ z kierunkiem pola magnetycznego (czerwone: bieguny północne, niebieskie: bieguny południowe)

Wartość gęstości strumienia magnetycznego w PMQ, skala barw od 0 (niebieski) do 1 tesli (czerwony)

4 jednostki PMQ, zamontowane przy akceleratorze

Zamontowane szeregowo i w odpowiednich odstępach (jako dwie komórki FODO) 4 kwadrupole służą do ogniskowania wiązki jonów H-, wytwarzanej przez nasz akcelerator. Zogniskowana wiązka, uderzając w nieruchomy cel (target), ma wysoką intensywność, co prowadzi do wyższych szybkości reakcji w materiale celu.

Wyjaśnienia fizyczne

W tym zastosowaniu skorzystaliśmy z siły Lorenza. Siła Lorenza to siła działająca na naładowaną cząstkę, gdy porusza się ona w polach elektromagnetycznych. Siła ta składa się z dwóch składowych: elektrycznej i magnetycznej. Pierwsza działa w kierunku pola elektrycznego, druga natomiast działa prostopadle do pola magnetycznego i toru cząstki. Oznacza to, że pola elektryczne umożliwiają przyspieszanie naładowanych cząstek, a pola magnetyczne mogą służyć do odchylania ich toru.

Rozpatrując jedynie ruch naładowanej cząstki w polu magnetycznym, można zastosować tzw. regułę trzech palców.

Istnieje wiele zastosowań siły Lorenza: na przykład silniki elektryczne, dynama rowerowe czy głośniki działają dzięki tej zasadzie. Oczywiście w fizyce cząstek również występuje wiele zastosowań: w akceleratorach używa się wielobiegunowych magnesów do manipulowania wiązkami cząstek. Dipole (2 bieguny) zakrzywiają tor cząstki, kwadrupole (4 bieguny) ogniskują wiązkę w kierunku poziomym i rozogniskowują w pionowym lub odwrotnie. Można więc ogniskować tylko w jednym kierunku naraz. Dobierając jednak odpowiednie odległości między kwadrupolami, możliwe jest uzyskanie w określonym punkcie wzdłuż wiązki tzw. talii wiązki. Tam pole przekroju poprzecznego wiązki jest minimalne. Nie narusza to przy tym twierdzenia Liouville’a.