專利名稱：導(dǎo)體組件和導(dǎo)體組件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生成磁場的電磁系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及包括導(dǎo)體組件的類型的 系統(tǒng)，該導(dǎo)體組件在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中生成或變換電壓。在世界經(jīng)濟(jì)的許多部門(例如，研究開發(fā)(R&D)和醫(yī)療應(yīng)用)中，在磁導(dǎo)體組件中 實現(xiàn)改進(jìn)的性能一直具有重要性。新的和改進(jìn)的商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展取決于創(chuàng)建大的和均勻的 磁場的能力。還需要許多性能和可靠性因素方面的進(jìn)步以實現(xiàn)醫(yī)療、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中的 商用實施例。例如，所期望的是使荷電粒子療法的癌癥治療(例如，質(zhì)子和碳療法)對于患 者是更加可靠的，但是這些系統(tǒng)需要回旋加速器和非常大的磁體以操縱高能荷電粒子束。 系統(tǒng)尺寸和成本嚴(yán)重地限制了這些應(yīng)用的可用性。目前，用于質(zhì)子療法治療室的構(gòu)臺可能 在高度上延伸多個樓層并且重量超過一百噸。進(jìn)一步部署這些和其他荷電粒子束系統(tǒng)的一 個障礙是束加速和聚焦設(shè)備的尺寸和成本。長期以來，對于荷電粒子療法和某些其他高磁場應(yīng)用，超導(dǎo)磁體很可能將優(yōu)于電 阻磁體。通常，超導(dǎo)磁體提供非常穩(wěn)定的和高的場強(qiáng)度并且在尺寸上比電阻磁體小很多。 此外，超導(dǎo)磁體的功率要求是非常低的。然而，由于公知的淬滅現(xiàn)象，可能危及在新的應(yīng)用 中提供超導(dǎo)磁體的機(jī)會。當(dāng)超導(dǎo)材料經(jīng)歷意外的和迅速的向正常的非超導(dǎo)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變時， 這可能導(dǎo)致高溫?zé)狳c的迅速形成，該高溫?zé)狳c可能破壞磁體。改進(jìn)可靠性的設(shè)計是高成本 的。成本是依賴于鞍形線圈或跑道形線圈的傳統(tǒng)的超導(dǎo)磁體技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化的主要制 約。此外，對于給定的操作條件集合，必須投入極大的設(shè)計努力以達(dá)到場均勻性的要求以及 確保在系統(tǒng)正常使用期間不會發(fā)生淬滅。不論未來的系統(tǒng)使用電阻繞組還是超導(dǎo)繞組，仍存在對改進(jìn)設(shè)計效率、可靠性和 場質(zhì)量的需要。為了部署用于荷電粒子癌癥治療的基于碳的系統(tǒng)，使用超導(dǎo)磁體會是必要 的，以便于滿足高能碳束的彎曲需要。用于使束彎曲的線圈段是非常復(fù)雜的并且必須是非 常穩(wěn)定的以便于實現(xiàn)彎曲軌跡。進(jìn)一步地，非常難以將例如鞍形線圈和跑道形配置的傳統(tǒng) 幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)用于曲線應(yīng)用并且仍滿足場配置要求。同時，有必要以較低成本提供這些系統(tǒng)以促進(jìn)有益于社會的更廣泛的使用。通過 說明，在存在大的場的情況中確保導(dǎo)體繞組的穩(wěn)定所需要的機(jī)械結(jié)構(gòu)是有效的，但是它們 也是整體重量和系統(tǒng)成本中的重要因素。一直需要建立更高效的、更堅固的和更可靠的磁體系統(tǒng)。作為示例，對于在連續(xù)使用條件下易于磨損的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，需要提供高成本的維護(hù)和 修理。極大地減小這些壽命周期成本和高場系統(tǒng)的整體可承受性的設(shè)計改進(jìn)，可以加速部 署需要生成大磁場的有利的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一系列實施例，提供了一種如下類型的導(dǎo)體組件，該導(dǎo)體組件在傳 導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓。在組件中，管形的第一層圍繞 軸形成。該軸包括彎曲部分，導(dǎo)體可沿該彎曲部分安置以限定第一導(dǎo)體路徑。第一層也包 括彎曲部分。第一層的彎曲部分具有包括沿軸的彎曲部分延伸的彎曲的形狀。第一導(dǎo)體圍 繞第一層的彎曲部分布置為第一螺旋配置，該配置包括螺旋形的并且圍繞軸的彎曲部分形 成的彎曲段。該配置圍繞層內(nèi)的彎曲孔區(qū)域安置并且能夠承受具有在軸的橫向方向上取向 的多極分量的磁場。在一個該實施例中，組件包括圍繞孔區(qū)域安置的另外的層。第一導(dǎo)體 的第一部分圍繞第一層布置以形成第一螺旋配置并且第一導(dǎo)體的第二部分形成圍繞層中 的第二層的第二螺旋配置。第二螺旋配置包括螺旋形的并且圍繞軸的彎曲部分形成的第二 彎曲段。第二螺旋配置在沿軸的彎曲部分的方向上沿第一層延伸。在導(dǎo)體組件的又一實施 例中，軸包括過渡到彎曲軸部分的平直部分。第一層包括圍繞平直軸部分的平直部分并且 第一導(dǎo)體包括沿平直和彎曲軸部分的調(diào)制。根據(jù)下式進(jìn)行沿第一層的平直部分的至少一部 分的調(diào)制。X( e ) = [h/(2*Ji)] 6 + E An sin(n 0 + 小n)Y( 0 ) = R cos( 0 )Z( e) = R sin( e)此外，與根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)體組件的實施例相一致，線圈包括圍繞管形區(qū)域的一個 或更多個線圈排，該管形區(qū)域圍繞軸安置。每個線圈排包括采取螺旋狀配置的傳導(dǎo)材料，當(dāng) 電流流經(jīng)傳導(dǎo)材料時該配置能夠在區(qū)域中生成場。螺旋狀配置之一包括形成圍繞軸的第一 連續(xù)環(huán)路序列的一部分連續(xù)導(dǎo)體。軸的第一段以及圍繞其形成的傳導(dǎo)材料均具有弓形，并 且沿孔區(qū)域周圍的第一軸段的環(huán)路與沿第一軸段的點隔開至少距離R。當(dāng)在沿第一軸段的 橫向的并穿過第一軸段的平面方向的電流傳導(dǎo)條件下生成磁場時，距離第一軸段0. 8R并 且沿該平面的場的特征在于具有第一量值的偶極分量、具有第二量值的四極分量、具有第 三量值的六極分量和具有第四量值的十極分量描述。第三和第四量值各不大于第一量值的 10_3，并且在組件的一個實施例中，第三和第四量值各小于第一量值的10_4，而在組件的另 一實施例中，第三和第四量值各小于第一量值的10_5。用于荷電粒子束光學(xué)裝置的磁體的 許多應(yīng)用可受益于彎曲的磁體。根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過構(gòu)建沿曲線軸的雙螺旋線圈設(shè) 計，可以利用純的多極場，即主要是一個多極序(multipoleorder)，實現(xiàn)該幾何結(jié)構(gòu)。均勻 磁偶極場可以被應(yīng)用于使荷電粒子束軌跡彎曲為弧形。磁體線圈可以被設(shè)計為圍繞彎曲的 軸，以便于避免粒子束和例如不銹鋼真空管的磁體線圈內(nèi)孔之間的干擾。簡單地將雙螺旋線圈從生成沿平直軸的偶極場的平直配置變換為具有可變的和 任意的曲率的弧形，通常導(dǎo)致了引入更高序多極場分量。直觀地，這可以通過如下方式理 解。當(dāng)圖2中的平直式樣圍繞Z軸彎曲時，迫使彎曲的內(nèi)弧上的導(dǎo)體彼此更接近并且彎曲 的外弧上的導(dǎo)體進(jìn)一步擴(kuò)展分離。所得到的導(dǎo)線間距的差異的原因在于，內(nèi)弧上的周長小于外弧上的周長，而匝數(shù)是相同的。隨之發(fā)生的導(dǎo)線間距的變化導(dǎo)致了被安置為彼此更加 接近的導(dǎo)線位置附近的場增大以及間距更大的位置的場較小，這導(dǎo)致了場的梯度，其主要 是四極分量。在根據(jù)本發(fā)明的一系列實施例中，提供了一種如下類型的導(dǎo)體組件，該導(dǎo)體組件 在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓。螺旋配線式樣沿軸安置， 離軸徑向距離為R。配線式樣圍繞從軸朝向配線式樣延伸的孔區(qū)域形成，距離R沿軸的一部 分變化。用于荷電粒子束光學(xué)裝置的磁體的許多應(yīng)用可以受益于彎曲的磁體。根據(jù)本發(fā)明 的實施例，通過構(gòu)建沿曲線軸的雙螺旋線圈設(shè)計，可以利用純的多極場，即主要是一個多極 序，實現(xiàn)這種幾何結(jié)構(gòu)。均勻磁偶極場可以被應(yīng)用于使荷電粒子束軌跡彎曲為弧形。磁體 線圈可以被設(shè)計為圍繞彎曲的軸，以便于避免粒子束和例如不銹鋼真空管的磁體線圈內(nèi)孔 之間的干擾。簡單地將雙螺旋線圈從生成沿平直軸的偶極場的平直配置變換為具有可變的和 任意的曲率的弧形，通常導(dǎo)致了引入更高序多極場分量。直觀地，這可以通過如下方式理 解。當(dāng)圖2中的平直式樣圍繞Z軸彎曲時，迫使彎曲的內(nèi)弧上的導(dǎo)體彼此更接近并且彎曲 的外弧上的導(dǎo)體進(jìn)一步擴(kuò)展分離。所得到的導(dǎo)線間距的差異的原因在于，內(nèi)弧上的周長小 于外弧上的周長，而匝數(shù)是相同的。隨之發(fā)生的導(dǎo)線間距的變化導(dǎo)致了被安置為彼此更加 接近的導(dǎo)線位置附近的場增大以及間距更大的位置的場較小，這導(dǎo)致了場的梯度，其主要 是四極分量。在根據(jù)本發(fā)明的第二系列實施例中，提供了一種用于制造導(dǎo)體組件的方法，該導(dǎo) 體組件具有圍繞軸的多個線圈排，外側(cè)線圈排圍繞內(nèi)側(cè)線圈排形成。組件具有如下類型，在 傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓。在一個示例中，形成一個或 更多個第一線圈排并且確定相對與所形成的一個或更多個第一線圈排相關(guān)聯(lián)的規(guī)范的偏 差，并且一個或更多個偏差均對應(yīng)于偏離場規(guī)范的多極場分量的量值?；谝粋€或更多個 偏差，針對將圍繞一個或更多個第一線圈排形成的一個或更多個第二線圈排，生成一個或 更多個配線式樣。因此，通過可歸于第二線圈排的分量，可以抵消偏離場規(guī)范的每個多極場 分量的量值。在組件中形成一個或更多個第二線圈排。在根據(jù)本發(fā)明的制造方法的另一示 例中，在一個或多個完全形成的線圈排中測量相對于多極場規(guī)范的多極序偏差。在上面的 線圈排的制造期間引入抵消校正，以減少完成的組件中的相對于多極場規(guī)范的偏差。在另一示例中，制造方法抑制了包括圍繞軸的多個線圈排的導(dǎo)體組件中的不需要 的多極場序的生成。外側(cè)線圈排圍繞內(nèi)側(cè)線圈排生成，并且內(nèi)側(cè)線圈排和外側(cè)線圈排包括 圍繞軸形成為螺旋式樣的導(dǎo)體。在形成一個或更多個第一內(nèi)側(cè)線圈排之后，形成一個或更 多個外側(cè)線圈排。形成一個或更多個外側(cè)線圈排的過程包括將調(diào)制引入到一個或更多個外 側(cè)線圈排，以減小與主場分量相關(guān)的一個或更多個多極場分量的量值。用于荷電粒子束光學(xué)裝置的磁體的許多應(yīng)用可以受益于彎曲的磁體。根據(jù)本發(fā) 明，通過構(gòu)建沿曲線軸的雙螺旋線圈設(shè)計，可以利用純的多極場，即主要一個多極序，實現(xiàn) 該幾何結(jié)構(gòu)。均勻磁偶極場可以被應(yīng)用于使荷電粒子束軌跡彎曲為弧形。磁體線圈可以 被設(shè)計為圍繞彎曲的軸，以便于避免粒子束和例如不銹鋼真空管的磁體線圈內(nèi)孔之間的干 擾。簡單地將雙螺旋線圈從生成沿平直軸的偶極場的平直配置變換為具有可變的和任意的曲率的弧形，通常導(dǎo)致了引入更高序多極場分量。直觀地，這可以通過如下方式理解。當(dāng)圖2 中的平直式樣圍繞Z軸彎曲時，迫使彎曲的內(nèi)弧上的導(dǎo)體彼此更接近并且彎曲的外弧上的 導(dǎo)體進(jìn)一步擴(kuò)展分離。所得到的導(dǎo)線間距的差異的原因在于，內(nèi)弧上的周長小于外弧上的 周長，而匝數(shù)是相同的。隨之發(fā)生的導(dǎo)線間距的變化導(dǎo)致了被安置為彼此更加接近的導(dǎo)線 位置附近的場增大以及間距更大的位置的場較小，這導(dǎo)致了場的梯度，其主要是四極分量。在用于制造沿曲線軸的導(dǎo)體組件的關(guān)聯(lián)的一系列實施例中，對于可以沿平直軸形 成的線圈，第一磁場式樣被指定為沿平直軸的橫向的第一平面。場式樣包括第一平面中的 第一序的主磁場分量。第一配線式樣被指定為圍繞平直軸，用于生成第一磁場式樣。第一 配線式樣由圍繞平直軸的第一系列點表示。根據(jù)曲線軸規(guī)范，圍繞曲線軸生成第二系列點， 以提供源自第一系列點的第二配線式樣。可以根據(jù)第二配線式樣生成的磁場的特征在于位 于曲線軸的橫向的平面中，其中第二配線式樣圍繞該曲線軸形成。在曲線軸的橫向的平面 中，識別不同于第一序的主磁場分量的第二序的第一量值磁場分量的存在。部分基于第一 系列點沿平直軸生成第三系列點，并入其導(dǎo)致第三配線式樣的第一調(diào)制，從而使得在軸的 橫向的平面中，其中第三配線式樣圍繞該軸形成，根據(jù)第三配線式樣生成的磁場包括第二 序的第二多極分量，如果該第二序的第二多極分量被添加到第二序的第一多極分量，則在 第二配線式樣的曲線軸的橫向的平面中，將減小曲線軸的橫向的平面中的第二序的分量的 凈場強(qiáng)度。根據(jù)曲線軸規(guī)范，圍繞軸生成第四系列點，以提供源自第三系列點的第四配線式 樣。基于前文，根據(jù)第四配線式樣，制造根據(jù)曲線軸規(guī)范圍繞軸的線圈。在根據(jù)本發(fā)明的另一系列實施例中，提供了一種用于制造沿曲線軸的導(dǎo)體組件的 方法。在一個實施例中，組件包括具有沿軸延伸的彎曲形狀的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)表面被安置為用 于形成沿彎曲形狀的溝道。結(jié)構(gòu)圍繞第二軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)時，在表面中形成導(dǎo)致結(jié)構(gòu) 中的螺旋形狀的溝道。溝道圍繞第一軸并沿第一軸延伸。在現(xiàn)有的制造方法中，組件包括 具有彎曲表面的結(jié)構(gòu)，其由如下特征描述，沿第一軸的橫向的方向的第一曲面輪廓和沿第 一軸的方向延伸的第二曲面輪廓，結(jié)構(gòu)包括第一和第二相對端部、端部之間的中心位置和 孔區(qū)域，該孔區(qū)域從軸向外延伸在軸的橫向的平面中可測量的距離R。彎曲表面被安置為 用于形成沿第二曲面輪廓的溝道。溝道被形成為穿過彎曲表面并且在結(jié)構(gòu)中導(dǎo)致圍繞第一 軸并沿第一軸延伸的螺旋形狀。溝道具有沿第二軸的截面中的給定的剖面。第二軸具有相 對于平行于表面的切向量的取向角度。在沿第二輪廓的多個溝道位置處，包括距中心的距 離R內(nèi)的位置以及端部的一個孔直徑內(nèi)的位置，每個位置處的第二軸相對沿表面的并穿過 同一位置的切向量的取向角度是同一取向角度。在根據(jù)本發(fā)明的另一系列實施例中，提供了一種用于制造沿曲線軸的導(dǎo)體組件的 方法。在一個示例中，組件包括具有沿軸延伸的彎曲形狀的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)表面被安置為用于 形成沿彎曲形狀的溝道。結(jié)構(gòu)圍繞第二軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)時，在表面中形成導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中 的螺旋形狀的溝道。溝道圍繞第一軸并沿第一軸延伸。根據(jù)用于制造的實施例，組件包括 具有彎曲表面的結(jié)構(gòu)，其特征在于，沿第一軸的橫向的方向的第一曲面輪廓和沿第一軸的 方向延伸的第二曲面輪廓，結(jié)構(gòu)包括第一和第二相對端部、端部之間的中心位置和孔區(qū)域， 該孔區(qū)域從軸向外延伸在軸的橫向的平面中可測量的距離R。彎曲表面被安置為用于形成 沿第二曲面輪廓的溝道。溝道被形成為穿過彎曲表面并且在結(jié)構(gòu)中導(dǎo)致圍繞第一軸并沿第 一軸延伸的螺旋形狀。溝道具有沿第二軸的橫截面中的給定的剖面。第二軸具有相對于平行于表面的切向量的取向角度。在沿第二輪廓的多個溝道位置處，包括距中心的距離R內(nèi) 的位置以及端部的一個孔直徑內(nèi)的位置，第二軸在每個位置處相對于沿表面的并經(jīng)過同一 位置的切向量的取向角度是同一取向角度。在根據(jù)本發(fā)明的另一系列實施例中，一種導(dǎo)體組件包括多個線圈排，每個線圈排 包括圍繞軸形成為螺旋配線式樣的導(dǎo)體。線圈排中的一個被安置為離軸徑向距離為R。對 于每個線圈排，螺旋式樣包括導(dǎo)體環(huán)路，每個導(dǎo)體環(huán)路相對于軸的橫向的平面朝相同方向 呈現(xiàn)傾斜。組件能夠生成軸向場分量和橫向場分量。在相關(guān)實施例中，第一線圈排包括圍 繞軸形成為螺旋配線式樣并且從軸延伸徑向距離R的導(dǎo)體。式樣包括開放導(dǎo)體環(huán)路，相對 于軸的橫向的平面朝一個方向上呈現(xiàn)傾斜。當(dāng)傳導(dǎo)電流經(jīng)過線圈排時，組件能夠提供凈軸 向場分量和沿軸的橫向的平面的序n主場分量。沿軸的橫向的平面中的具有離軸半徑為 0. 8R的圓，具有大于主場分量的多極序的每個可測量的場分量的量值比主場分量的量值至 少低五個數(shù)量級。在又一系列相關(guān)實施例中，還提供了一種操作磁體系統(tǒng)的方法。該系統(tǒng)也具有如 下類型，在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，包括多個線圈排， 每個線圈排包括圍繞軸形成為螺旋配線式樣的導(dǎo)體，并且線圈排中的一個被安置為離軸徑 向距離為R。對于每個線圈排，式樣包括導(dǎo)體環(huán)路，每個導(dǎo)體環(huán)路相對于軸的橫向的平面朝 相同方向呈現(xiàn)傾斜。組件能夠生成軸向場分量和橫向場分量。系統(tǒng)還包括多個電源，每個 電源可以連接為向不同線圈排中一個線圈排或多個線圈排供電。根據(jù)方法，控制流入從不 同的電源接收電力的線圈排的電流，從而可以調(diào)節(jié)由不同線圈排生成的軸向和橫向場強(qiáng)度 的相對比例。


圖1A和1B分別是示出簡單的現(xiàn)有技術(shù)的螺旋式樣的三維空間彎曲的透視圖和立 視圖；圖2是具有規(guī)則的螺旋幾何結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)的線圈的透視圖，用于形成適用于生 成偶極場的現(xiàn)有技術(shù)的雙螺旋線圈對；圖3是現(xiàn)有技術(shù)的線圈式樣的透視圖，用于形成適用于生成四極場的現(xiàn)有技術(shù)的 雙螺旋線圈對；圖4是現(xiàn)有技術(shù)的線圈對的透視圖，其中兩個線圈式樣具有相對于平面的相反的 傾斜角度；圖5是圖3中示出的四極線圈式樣的展開的視圖；圖6是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的包括多個多極分量的配線式樣的展開的視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括多個多極分量的配線式樣的展開的視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例構(gòu)造的具有彎曲孔的磁體的透視圖；圖9A和9B示出對應(yīng)于平直和彎曲螺旋線圈排之間的坐標(biāo)變換的關(guān)系；圖10示出根據(jù)用于確定幾何參數(shù)值的方法的迭代過程，該幾何參數(shù)值用于根據(jù) 多極分量規(guī)范來構(gòu)造圖9的彎曲螺旋線圈排；圖11是用于實踐根據(jù)本發(fā)明的方法的磁體設(shè)計的透視圖；圖12A、12B和12C分別提供了根據(jù)本發(fā)明實施例的磁體的透視圖、圍繞對稱軸的橫截面圖和沿軸的橫截面圖；圖13A-13E是立視圖并且圖13F-13G是橫截面圖，其示出根據(jù)本發(fā)明的制造順序 和制造特征；圖14示出可用于形成根據(jù)本發(fā)明的組合功能磁體的線圈排的雙螺旋對；圖15A-15C以立視圖的方式示出根據(jù)本發(fā)明的制造過程的特征，而圖15D示出制 造期間的溝道的橫截面圖；圖16A和16B示出沿圖11中示出的線圈組件的中心軸的六極場量值；圖17A和17B分別以透視圖和立視圖的方式示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的線圈 組件；圖18和19示出用于確定根據(jù)多極分量規(guī)范而構(gòu)造線圈排的幾何參數(shù)值的方法的 迭代過程的替選實施例；圖20A提供根據(jù)直接螺旋制造過程制造的線圈卷起式樣的展開的視圖；圖20B是圖20A中示出的傳導(dǎo)帶的部分展開的視圖；圖21是圖20的線圈排的傳導(dǎo)帶的橫截面圖；圖22是示出直接螺旋線圈的特征的透視圖；以及圖23是根據(jù)本發(fā)明的包括具有變化的設(shè)計的線圈部分的磁體組件的示意圖。在附圖通篇中使用相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。示意性地示出了許多部件， 應(yīng)當(dāng)理解，明顯性質(zhì)的各種細(xì)節(jié)、連接和部件未被示出，以便于強(qiáng)調(diào)本發(fā)明的特征。圖中示 出的各種特征未依比例示出，以便于強(qiáng)調(diào)本發(fā)明的特征。
具體實施例方式在詳細(xì)描述與本發(fā)明的實施例相關(guān)的特定方法和裝置之前，應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明主 要在于新穎的和非顯而易見的部件和過程步驟的組合。為了不致于引起本公開內(nèi)容與本領(lǐng) 域的技術(shù)人員公知的細(xì)節(jié)混淆，某些傳統(tǒng)部件和步驟被省略或者呈現(xiàn)為具有較少的細(xì)節(jié)， 而附圖和說明書更加詳細(xì)地描述了與理解本發(fā)明有關(guān)的其他元件和步驟。此外，以下實施 例未限定關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或方法的限制，而是提供了包括許可的而非強(qiáng)制的以及說 明性的而非排他性的特征的示例。如此處使用的術(shù)語“線圈”、“螺旋形”、“螺旋結(jié)構(gòu)”和“螺旋狀的”包括但不限于規(guī) 則的幾何式樣。此外，術(shù)語“線圈”、“螺旋形”和“螺旋結(jié)構(gòu)”包括其中寬度(例如，沿軸向 方向)或厚度(例如，沿徑向或沿軸向方向的橫向方向)可以變化的配置。所考慮的實施 例包括基本上偏離于規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)并因此不能簡單地以閉合形式來描述的變化方案。許多 解決方案(它們可能是近似的)可以被應(yīng)用于模型和設(shè)計配線配置，隨后可以在所期望的 精度水平上相應(yīng)地構(gòu)造這些配線配置，此外，應(yīng)用于由各種導(dǎo)體和/或絕緣材料的形成的 物理實施例的諸如“繞組”、“螺旋繞組”、“配線式樣”和“線圈配置”的術(shù)語的使用與如何適 當(dāng)形成這些材料無關(guān)。即，盡管傳統(tǒng)上以螺旋配置將一股導(dǎo)體進(jìn)行物理纏繞，但是如此處使 用的前述術(shù)語是指得到的配置而非用于形成該式樣的方法。因此，例如，可以通過去除體材 料由圓柱體形成線圈或繞組，這導(dǎo)致了對應(yīng)于螺旋繞組的形狀。此外，通過去除材料導(dǎo)致的 空隙也可以對應(yīng)于螺旋形狀。利用圍繞軸螺旋纏繞以產(chǎn)生軸的橫向的磁場分量的線圈，通過以具有相反傾斜角度的同心安置的對的形式來形成線圈，可以實現(xiàn)軸向場分量的消除，這常常導(dǎo)致高質(zhì) 量的橫向磁場，例如，基本上沒有更高序分量的均勻的偶極。參見例如，Goodzeit等人 的"The Double-HelixDipole-A Novel Approach to Accelerator Magnet Design，，， IEEETransactions on Applied Superconductivity, Vol. 13，No.2，June 2003， PP. 1365-1368，其描述了關(guān)于雙螺旋磁體幾何結(jié)構(gòu)的分析。還參見通過引用合并于此的美 國專利 No. 6，921，042。對于螺旋纏繞的導(dǎo)體和其他磁體幾何結(jié)構(gòu)，其中一些幾何結(jié)構(gòu)是跑道形的和鞍形 的配置，導(dǎo)體的放置出于多種原因是有問題的。在傳統(tǒng)的跑道形和鞍形配置中，基于圓形線 纜，每個線匝的位置取決于前一線匝的位置。這些繞組典型地是彼此疊置地建立的，并且第 二匝排在先前纏繞的匝排上緊密纏繞。這些繞組常常是借助于工具作業(yè)而生成的，該工具 作業(yè)確保一致性，每個排中的匝彼此相對地緊密纏繞并且連續(xù)排中的匝是彼此疊置地創(chuàng)建 的。該匝的緊密堆疊提供了使導(dǎo)體穩(wěn)定的裝置。此外，該類型的配置常常導(dǎo)致同一排中的 匝之間的接觸以及鄰接排中的匝之間的接觸，并且需要導(dǎo)體表面上的絕緣涂層，從而使與 導(dǎo)體其他部分接觸的導(dǎo)體部分彼此絕緣。為了確保高場條件下的繞組的穩(wěn)定性，通常利用 例如粘合劑使匝彼此接合。在這些現(xiàn)有系統(tǒng)中，導(dǎo)體的位置和穩(wěn)定性取決于每個導(dǎo)體匝相對于另一導(dǎo)體匝的 安置以及在制造、組裝和操作期間，即在典型的熱循環(huán)和在線圈激勵期間作用的高洛倫茲 力下，將導(dǎo)體維持在靜態(tài)位置的能力。盡管所需的沒有中間層的絕緣線匝的緊密嵌套可以 使導(dǎo)體穩(wěn)定，但是配線式樣的設(shè)計受到了限制并且因此，場式樣的設(shè)計變化也受到了限制。 如所說明的實施例中示出的，現(xiàn)在可以通過利用中間絕緣層而使所有導(dǎo)體段的排分離并預(yù) 先限定具有絕緣層中形成的溝道的配線式樣，在不危及可靠性的情況下，更加全面地利用 其他配線式樣。在通過引用結(jié)合于此的、2008年4月3日遞交的委派給本發(fā)明的代理人的 標(biāo)題為"Wiring Assembly and Method of Forming A Channel In Affiring Assembly For Receiving Conductor”的共同未決的美國申請Ser. No. 12/061,813中，更加全面地描述了 該技術(shù)。其中插入導(dǎo)體的溝道的形成提供了精確的導(dǎo)體安置和穩(wěn)定，同時還使部分導(dǎo)體與 其他部分隔離。溝道剖面不限于容納圓形導(dǎo)線或線纜。具有方形或矩形形狀的橫截面的其 他導(dǎo)體或者帶，可以與溝道結(jié)合使用。溝道可以被配置為與導(dǎo)體的橫截面形狀匹配。導(dǎo)體 式樣和相應(yīng)的導(dǎo)體路徑可以被形成為具有相對緊密的螺旋配置，其中h，即軸向方向上的每 個匝的前進(jìn)是非常小的，以至于相鄰匝中的導(dǎo)體部分非常接近或者彼此接觸。在關(guān)注導(dǎo)體 匝的相鄰部分之間的接觸的實施例中，導(dǎo)體具有絕緣涂層。當(dāng)溝道容納方形或矩形橫截面形狀(包括帶)的導(dǎo)體時，為了使例如扭曲的導(dǎo)體 變形最小，可以以相對于基準(zhǔn)表面的中心軸的可變角度來形成螺旋溝道。在這些實施例中， 得到的場將不同于針對具有圓形橫截面形狀的傳統(tǒng)導(dǎo)體而生成的場。用于圓形導(dǎo)體的溝道 將不遵循與如下溝道相同的路徑，該溝道以可變角度被形成為在沒有形狀變形的情況下容 納矩形形狀的導(dǎo)體。如此處使用的術(shù)語“導(dǎo)體”是指相對剛性或柔性材料的線狀物或絲狀物，通常指線 纜或?qū)Ь€，其具有如下類型，包括單個傳導(dǎo)股或者作為一個功能傳導(dǎo)路徑而一起分組的這 些股中的多個股。術(shù)語“多股導(dǎo)體”是指被形成為單個可識別單元并且由多個傳導(dǎo)股組成的這樣的導(dǎo)體，這些傳導(dǎo)股可以彼此扭轉(zhuǎn)、交織、編織或互繞，以形成可識別的單個導(dǎo)線單元。 多股導(dǎo)體可以采取體現(xiàn)圓形或非圓形橫截面的導(dǎo)體形式。術(shù)語“橫截面”是指沿可限定的軸的橫向的平面截取的例如導(dǎo)體或孔或線圈的特 征的截面，其中該特征經(jīng)該平面延伸。如果線圈排的軸是關(guān)于軸上關(guān)注點的曲線軸，則沿之 截取橫截面的平面被理解為相對于這樣一個向量的方向是橫向的，該向量是軸在該關(guān)注點 處的方向的切向量。根據(jù)關(guān)系1A、1B和1C生成了圖1A的透視圖和圖1B的立視圖中示出的三維空間 中的簡單的現(xiàn)有技術(shù)的螺旋式樣1A x (e) = [h/ (2* 31) ] eIB Y( e ) = R cos( e )1C Z( 0 ) = R sin( 0 )其中X坐標(biāo)沿與對稱軸平行的縱向方向并且Y和Z坐標(biāo)沿對稱軸的橫向的方向并 且彼此正交。9是在X軸的橫向的Y-Z平面中測量的方位角度。參數(shù)h限定了 X方向中的 每個匝的前進(jìn)。R是繞組式樣的孔的半徑。即，對于具有規(guī)則形狀的實施例，R對應(yīng)于從對 稱軸到彎曲上的點的半徑距離，并且孔是螺旋式樣形成的形狀中的體積。圖2和3是示出在雙螺旋線圈對中找到的現(xiàn)有技術(shù)線圈的特征的示例性三維空間 彎曲。出于清楚的目的，圖2和3均示出了單個線圈排。這些排對應(yīng)于根據(jù)關(guān)系2A、2B和 2C生成的規(guī)則螺旋幾何結(jié)構(gòu)2A X ( e ) = [h/ (2* 31) ] e +An sin (n e )2B Y( 0 ) = R cos( 0 )2C Z( 0 ) = R sin( 0 )。圖2的透視圖中示出n = 1的彎曲。圖3的透視圖中示出n = 2的彎曲。X(0)式中的項AnSin(n 0 )為每個匝給予相對于Y_Z平面的正的或負(fù)的傾斜，其 與項量值和符號成比例。根據(jù)n的值，項4^111(119)還在圍繞軸的每個360度彎曲匝 中引入了調(diào)制，即正弦變化。對于n = 1，向如圖2中所示的每個匝給予橢圓體形狀。具有 更高序正弦分量(n = 2)的圖3中示出的更復(fù)雜的式樣適用于生成四極場。對于更高的n 值，更高頻率的正弦分量對每個匝的形狀進(jìn)行調(diào)制。如從圖2可見，通過添加Ansin(n 0 )項且n = 1，匝相對于YZ平面傾斜。這導(dǎo)致 了在軸向方向上流動的顯著的電流分量。因此，橫向磁場與軸向場分量一起生成。通過并 入第二匝層(如圖4中所示，再次地，n= 1)，并且通過使兩個式樣具有相對于YZ平面的相 反傾斜角度(通過在具有相反符號的兩個線圈中的每個線圈中提供項An)，可以生成基本上 純的橫向場并且實際上消除了軸向場分量。這些和其他具有相反傾斜的線圈式樣對，即，對 于不同的n值，在文獻(xiàn)中被稱為雙螺旋繞組。盡管如此，更一般地，對于本發(fā)明的若干實施例，可以根據(jù)式3A、3B和3C生成三維 空間彎曲3A X( e ) = [h/(2*Ji)] e + E An sin(n 0 + 小n)3B Y( 0 ) = R cos( 0 )3C Z( 0 ) = R sin( 0 )其中An確定式3A中的幅度，并且確定正弦分量之間的相移。R確定繞組式樣的半徑，其被測量為離開圓柱形線圈的軸的距離，并且e是方位角度。在該上下文中，術(shù)語 “線圈”和形容詞“螺旋”是指可通過前述函數(shù)得到的多種螺旋狀形狀，應(yīng)當(dāng)理解，可以使用 其他三角法或數(shù)值表達(dá)來限定溝道路徑和導(dǎo)體路徑。對應(yīng)于一個或更多個n值的場的單獨 的或組合的成分通常被稱為多極矩。通過雙螺旋繞組配置生成的并且根據(jù)式3對應(yīng)于不同 的n值的場分量，基本上或完全地彼此正交。雙螺旋線圈的單獨的層同時生成橫向和軸向磁場。在此情況下橫向表示具有Y和 Z分量的磁場。在大部分應(yīng)用中，按如下方式來選擇雙螺旋線圈的單獨的層中的電流方向 層的橫向磁場相加，而在高程度上消除軸向場。因此習(xí)慣上通過在橫向平面中的二維多極 來描述磁場。如果場沿X方向改變，例如，如接近線圈端部的情況，則二維多極擴(kuò)展仍可以 用于描述該場，并且確定關(guān)于不同軸位置的多極成分。根據(jù)式3A，可以通過得到的線圈式樣 生成的多極場分量對應(yīng)于其中式3A中的每個K是非零的n值。在長繞組配置中，其中線圈端部效應(yīng)可以被忽略，n = 1的式樣將生成不具有更高 序分量的基本上純的偶極場。相似地，四極式樣(n = 2)、六極式樣(n = 3)和其他更高序 式樣生成具有由n值限定的多極序的純場。理論上，根據(jù)以上數(shù)學(xué)理論，可以生成幾乎任意形狀和質(zhì)量的磁場。然而，用于生 成具有更高多極序(n> 1)的場或者包含不止一個多極序的場(例如，疊加的偶極加上四 極的場)的線圈的構(gòu)造受到幾何結(jié)構(gòu)約束的限制，諸如要求導(dǎo)體之間的最小間距以避免導(dǎo) 體碰撞。線圈中的導(dǎo)體間距由式3A中的項h控制。為了增大h值，使導(dǎo)體沿X方向分隔更 遠(yuǎn)。最小導(dǎo)體間距對應(yīng)于相鄰導(dǎo)體恰好相互接觸的情況。導(dǎo)體間距的任何進(jìn)一步的減小均 將導(dǎo)致相鄰導(dǎo)體之間的干擾。圖5呈現(xiàn)圖3中示出的四極線圈式樣的360度視圖。圖6和7中示出的線圈式樣 的這些和其他360度視圖是從諸如圖3的圓柱狀配置的三維輪廓到平面中的視圖的變換， 該平面中的視圖在此處被稱為“展開的”視圖。即，這些視圖被生成為如同三維形狀的表面 被切開并且沿平面鋪開以提供二維的或者平面的視圖，其中橫坐標(biāo)表示圓柱表面上的弧長 并且縱坐標(biāo)表示軸向方向。在繞組式樣的展開的視圖中可以示出最小所需導(dǎo)體間距，其中相對于周長U繪制 X坐標(biāo)，其是通過使半徑R乘以方位角e而給出的。如圖5中所示，導(dǎo)體方向的局部斜率 是dX/dU = tan(a)，其中a是展開的視圖中的斜率角度，其取決于方位角0。無碰撞的 最小可能導(dǎo)線間距由下式4A和4B給出4A tan ( a ) = dX/dU = (1/R) (dX/d 0 )4B 最小間距=d/cos ( a mJ其中a _是沿軌跡得到的最大斜率。如從式4B可見，通過線圈繞組中的最大斜 率角度a來確定最小間距。對于斜率角度a的說明，參見圖5。此外，如圖5、6和7中示 出的，所示出的配線式樣是連續(xù)系列的段2。沿段的第一部分4，獨立的段是相對平直的，并 且沿段的第二部分6，段遵循具有可限定的曲率半徑的輪廓。較大的斜率角度需要繞組式樣中的較大的導(dǎo)體間距，并且由此降低了所得到的線 圈配置的可實現(xiàn)的磁場強(qiáng)度。這是因為在沿X軸的每個單位距離中可應(yīng)用較少的導(dǎo)體匝。 許多應(yīng)用需要相對高的場強(qiáng)度并且期望獲得如式4B中限定的最小的可能導(dǎo)體間距(例如， 導(dǎo)體表面具有絕緣涂層，使得表面能夠彼此接觸)。由于更高序多極繞組配置具有每個導(dǎo)體匝的更大的正弦震蕩(參見式3A)，因此斜率角度a通常隨增大的多極序成分而增大。組 合功能磁體中的最小的可能導(dǎo)體間距還受相位角度的影響。參見式3A。根據(jù)下式疊加 的偶極和四極場，這可被定性地理解5A X ( 0 ) = [h/ (2* !) ] 0 sin ( 0 ) +A2 sin (2 0 + A 小)對于A = 0，偶極分量的最小值和最大值與四極分量的最小值和最大值一致， 而對于A 興0，分量正弦函數(shù)的峰值移位。例如，參照式3A，對于t不等于 」，分量正 弦函數(shù)的峰值彼此移位。在圖6和7中的展開的視圖中可以最佳地看到這一效果，其中四 極幅度A2被選擇為偶極幅度~的一半。相移A 在圖6中是0而在圖7中是90度。艮口， 在圖7中，(^.-(^ = 90度。對于每種情況，導(dǎo)體間距h被設(shè)定為所需的最小值。本發(fā)明的特征在于斜率角度a的最大值，被記為a max，是不同序n的分量之間的 相對相移的函數(shù)，并且這可以導(dǎo)致最大斜率角度a _的減小，由此減小可實現(xiàn)的導(dǎo)體間距 h并且增大沿軸的整體導(dǎo)體密度。這增強(qiáng)了磁場密度。對于A2等于~的一半的給定示例， 最小的可實現(xiàn)的導(dǎo)體間距可以被減小約10%。導(dǎo)體密度的增大使磁轉(zhuǎn)移函數(shù)上升，由此增 大了每單位電流的場量值。更一般地，轉(zhuǎn)移函數(shù)的有利的改進(jìn)可以在組合的功能組件中實 現(xiàn)，其中對于單獨的線圈排，X( 0 )至少包括以下項[h/ (2*3i)] 0 +Ai sin ( 0 ) +Aj sin (j 0 + A 小)+ 在示例性實施例中，Ai至少是A」的10 %。在根據(jù)本發(fā)明的一系列實施例中，利用根據(jù)式3A、3B和3C配置的繞組，以產(chǎn)生相 對均勻的偶極場，該繞組式樣可以適于其中荷電粒子束路徑包括彎曲部分以便于符合所期 望的軌跡的應(yīng)用。在傳統(tǒng)上，可以使若干鞍形線圈繞組部分與按適度角度端對端耦合的部 分耦合在一起，以創(chuàng)建彎曲路徑。可以實現(xiàn)利用多個雙螺旋繞組段的相似布置，其中每個段 沿平直軸形成。平直雙螺旋段可以被配置為生成均勻偶極場，基本上沒有更高序場分量，以便于 使荷電粒子束沿平直軸的橫向的方向移位。利用以小角度耦合的鄰接段以創(chuàng)建這樣的彎 曲，每個角度對應(yīng)于弧長或者跨越孔的線性距離，其中束通過該孔移位。實際上，使束在行 進(jìn)通過一系列平直孔的同時遵循彎曲軌跡。通過該設(shè)計方法，關(guān)于彎曲的最小曲率半徑取 決于束孔尺寸。然而，通過對該應(yīng)用使用雙螺旋繞組，可以提供高度均勻的偶極矩(n= 1) 并且還可以并入四極矩以幫助使束聚焦。不同于耦合具有平直孔的磁體段，即僅具有平直孔的段，還可以利用螺旋線圈制 造具有彎曲孔的磁體。盡管根據(jù)式3A、3B和3C的基于螺旋線圈設(shè)計的平直磁體，可以具有 基本上純的場，例如，具有所期望的序的非常均勻的橫向場，但是除了具有所期望的序的主 場之外，圍繞彎曲軸的螺旋線圈設(shè)計的形成通常還將生成一個或更多個更高序分量，其使 得偏離彎曲束軌跡中的理想場性質(zhì)。根據(jù)若干實施例，通過進(jìn)一步將調(diào)制分量引入螺旋導(dǎo) 體幾何結(jié)構(gòu)，例如引入單獨的線圈環(huán)路，可以幾乎或完全消除非期望的分量，否則這些分量 將使磁體的場質(zhì)量劣化。即，可以引入多極場分量以抵制每個非期望的更高序分量，這些多 極場分量均具有與非期望的分量實際上相等的量值和相反的方向。利用數(shù)值計算和最優(yōu)化 技術(shù)，可以精確地引入具有所期望的比例的一個或更多個多極分量?？梢酝ㄟ^使用雙螺旋 線圈的組合功能特征實現(xiàn)這些布置。這些概念的實現(xiàn)方案提供了沿可變輪廓的軸的場性質(zhì) 的連續(xù)變化。對于具有恒定曲率半徑的軸的示例，主場分量的比例可以根據(jù)沿軸的位置而變化，從而沿三個鄰接段中的第一段，偶極場可以是主要的，而沿相鄰的第二段，四極場可 以是主分量，并且沿鄰接第二段的第三段，另一偶極場可以是主場分量。通常，場分量的相 對比例可以變化以提供所期望的效果，諸如束聚焦和彎曲的組合。此外，通常，單數(shù)或復(fù)數(shù) 的術(shù)語“主場分量”的使用是指一種多極場分量，這種多極場分量是沿中心軸的橫向的一個 或更多個平面的主要場分量，其中線圈排或整個磁阻件圍繞該中心軸形成。在圖8中示出的示例中，雙螺旋偶極磁體10具有沿中心軸的225mm的曲率半徑和 25mm的孔半徑。與雙螺旋設(shè)計原則相一致，磁體10的兩個線圈排12A和12B被示出為沿 中心軸具有相對于橫向平面的相反的傾斜角度。磁體10包括多對相似的線圈排10(未示 出)，該線圈排10是以類似于Ser. No. 12/061，813中針對沿平直軸形成的組件而描述的方 式彼此疊置地形成的。磁體10的幾何結(jié)構(gòu)可以用于給予90°的孔彎曲，但是根據(jù)現(xiàn)正描述 的方法，可以容易地獲得其他的曲率半徑、孔長度和孔半徑。首先，應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)這些幾何 結(jié)構(gòu)規(guī)范和所期望的場性質(zhì)設(shè)計該磁體會涉及，直接基于沿彎曲對稱軸的場規(guī)范來計算圍 繞彎曲軸的導(dǎo)體路徑。例如，基于式3A、3B和3C，3A X( e ) = [h/(2*Ji)] e + E An sin(n 0 + 小n)3B Y( 0 ) = R cos( 0 )3C Z( 0 ) = R sin( 0 )可以執(zhí)行針對曲線系統(tǒng)的適當(dāng)變換，利用該曲線系統(tǒng)使用變換分析來生成描述圍 繞彎曲對稱軸的螺旋路徑的點集。對于可分為圍繞彎曲孔的一系列導(dǎo)體段的路徑，可以使 用數(shù)值技術(shù)來計算圍繞孔的磁場。即，對于可分為段的導(dǎo)體，通過將每個段的貢獻(xiàn)添加到每 個感興趣點，可以在所有感興趣點處計算場。該方法允許確定非期望的更高序場分量。對于前述分析變換或者如所描述的，當(dāng)根據(jù)平直軸雙螺旋配置的線圈式樣被映射 到曲線線圈式樣時，為了創(chuàng)建彎曲磁體幾何結(jié)構(gòu)，引入更高序多極場分量。原則上，可以通 過引入曲線線圈式樣的調(diào)制的適當(dāng)改變，使用曲線系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)來補(bǔ)償這些效應(yīng)。通過將 抵消多極分量直接添加到描述曲線線圈式樣的分析式，可以直接去除非期望的多極場分 量。實際上，不論在矩形坐標(biāo)系統(tǒng)還是在曲線坐標(biāo)系統(tǒng)中，所需用于執(zhí)行這些校正的數(shù)值計 算的量和復(fù)雜度可能使得直接確定所需補(bǔ)償分量是冗長的迭代過程，該補(bǔ)償分量抵消非期 望的更高序多極場分量。不同于向描述曲線線圈式樣的分析添加校正因子，對于非期望的多極分量，例如， 通過從平直幾何結(jié)構(gòu)彎曲而引入的分量，可以創(chuàng)建在如沿平直軸所限定的那樣的未變換的 線圈配置中創(chuàng)建用于曲線線圈式樣的有利調(diào)節(jié)。本發(fā)明的另一特征基于認(rèn)識到，在平直和 曲線系統(tǒng)中保持了多極分量之間的實質(zhì)的正交性?；谠谄街陛S和彎曲軸上形成的式樣之 間的點對點變換，可以開發(fā)線圈設(shè)計的許多實施例。例如，關(guān)于曲線線圈式樣的設(shè)計中的所 需用于消除特定多極場分量的調(diào)節(jié)，可以基于針對相應(yīng)的平直軸線圈配置的模型而進(jìn)行的 校正，由該平直軸線圈配置，可以得到曲線線圈式樣。因此，首先，通過減少或消除所有非期望的多極場分量，關(guān)于平直幾何結(jié)構(gòu)線圈配 置的設(shè)計，可以被應(yīng)用于設(shè)計具有彎曲幾何結(jié)構(gòu)的線圈式樣。在所期望的容限程度內(nèi)，可 以沿彎曲孔構(gòu)造多極場質(zhì)量基本上與沿平直軸構(gòu)造的磁體相同的具有曲線孔的螺旋線圈 磁體。適用于應(yīng)用的另外的多極分量也可以被引入關(guān)于平直幾何結(jié)構(gòu)的分析，從而在變換 為關(guān)于彎曲幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計之后，磁體呈現(xiàn)基本上與沿平直軸構(gòu)造的磁體相同的多極場質(zhì)fio對于所說明的實施例，實現(xiàn)沿彎曲軸的所期望的場質(zhì)量的方法可以包括通過修改 平直幾何結(jié)構(gòu)分析來執(zhí)行平直和曲線分析之間的變換的重復(fù)過程，直至對于沿彎曲孔構(gòu)造 的磁體達(dá)到所期望的場性質(zhì)。如此處使用的，場質(zhì)量是指磁體中的多極場分量之間的相對 量值或均勻性的度量。下文給出了示例?，F(xiàn)在描述用于設(shè)計和構(gòu)造具有最優(yōu)的多極成分的 磁體(包括圖8的磁體10)的詳細(xì)過程。上述具有x( e)、Y( e)、z( e)的形式的參數(shù)表示描述了關(guān)于單個層，即一個螺旋 形線圈排的空間彎曲，該線圈排包括連續(xù)系列的開放導(dǎo)體環(huán)路。在下面的描述中，盡管參照 關(guān)于單獨層的空間彎曲，但是將理解，實際的磁體的設(shè)計和構(gòu)造相應(yīng)地涉及實現(xiàn)用于創(chuàng)建 彼此圍繞地形成的多個線圈排的所描述的過程。來自每個排的場是相加的，從而可以構(gòu)造 關(guān)于每個線圈排的導(dǎo)體路徑的模型，并且通過逐一相加所生成的貢獻(xiàn)，可以確定所生成的 場。在若干示例中提到所生成的場可以被理解為是指由多個線圈排生成的總合場或者由單 個線圈排生成的場分量。出于更加清楚地呈現(xiàn)本發(fā)明的特征或優(yōu)點的目的，表1、2和3中 呈現(xiàn)的場計算表示沿軸上的點計算的場強(qiáng)度，這些點離開線圈端部的距離是至少三個孔直 徑。這基本上避免了包括源自在許多磁體的線圈端部周圍特有地找到的未經(jīng)補(bǔ)償?shù)母咝?項的貢獻(xiàn)。圓柱形螺旋配置的長的平直部分中的磁場，其生成橫向場，可以被視為二維的并 且可以根據(jù)如下諧波展開式在圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)中描述 其中R。是自軸測量的基準(zhǔn)半徑并且B,ef是該半徑處的主場的量值。系數(shù)bn和an 是確定彼此相關(guān)的不同分量的角度取向的無量綱的正常的和偏斜的多極分量。盡管諧波展開式描述了沿?zé)o限長軸的二維場，但是利用相同的諧波展開式描述具 有有限長度的磁體的端部場的特征是同樣便利的。在該情況中，沿距線圈端部的距離小于 三個孔直徑的軸位置，軸的橫向的平面中的二維多極場分量將根據(jù)軸位置而變化，而在距 線圈端部更遠(yuǎn)距離處，場分量是相對恒定的。這假設(shè)了，線圈沿軸延伸的距離至少為六個孔 直徑。此外，在線圈端部的三個孔直徑內(nèi)，存在可被獨立確定的非零軸向場分量Bx。當(dāng)對磁體中的多極場進(jìn)行數(shù)值計算時，可以假設(shè)，導(dǎo)體路徑可以由位于物理導(dǎo)體 的中心處的無限細(xì)的絲表示，其在許多情況中可以具有圓形的橫截面。通過以細(xì)絲近似于 導(dǎo)體中的電流分布的方式將細(xì)絲放置在導(dǎo)體橫截面中，也可以對方形或矩形的導(dǎo)體建模。 導(dǎo)體的三維空間彎曲可以被描述為小的平直絲部分的多邊形。每個多邊形段的端點將與實 際的空間彎曲相一致，并且對于數(shù)量足夠多的單元，多邊形高度精確地描述空間彎曲。對于導(dǎo)體段的無限細(xì)和短的絲，通過如下的Biot-Savart規(guī)律給出了與導(dǎo)體段不 一致的空間中任何點處的磁場 其中dB是場向量，I是流經(jīng)導(dǎo)體的輸送電流，dl是絲段的切向量并且P是從段到待確定場的點的向量。通過對來自沿描述導(dǎo)體路徑的空間彎曲的所有段的場貢獻(xiàn)求和，獲 得了磁場的近似。隨著導(dǎo)體被分為數(shù)量更多的段，對這些段執(zhí)行單獨的dB計算，該近似的 準(zhǔn)確性提高。隨后可以通過如下方式確定多極成分。對于沿平直軸形成的線圈排，在軸的橫向 的平面中，對于沿基準(zhǔn)圓的方位角相等間隔的n個點P，該基準(zhǔn)圓在該平面中形成并且以軸 為圓心，計算場分量和B0。通過適當(dāng)?shù)臍w一化對這些場值進(jìn)行傅立葉分析，產(chǎn)生了以特 斯拉或高斯為單位的多極場。出于評估或修改雙螺旋線圈配置中的橫向場分量的目的，軸 向場分量可以被忽略?？梢葬槍ρ仄街被驈澢朋w軸的一系列圓(每個圓位于軸的橫向的 不同平面中并且相交于不同的位置)執(zhí)行相同的多極場分析。對于與沿平直軸形成的純的偶極雙螺旋磁體中的一個線圈排相對應(yīng)的單層空間 彎曲，x(e) = [h/(2 31)] e+A!(sine)。沿平直軸形成的該單層包含軸向場分量。此外，回憶前文，即Y( e ) = R cos( e )Z( e ) = R sin( e )通過添加具有略微不同的半徑的同心線圈排可以消除軸向場分量。對于具有相反 的傾斜角度和電流方向的第一和第二線圈排，這兩個線圈排形成了對，該對提供了抵償?shù)?相等但相反的軸向電流。根據(jù)該式生成的示例性的線圈對式樣可以被變換為沿彎曲對稱軸 的線圈式樣。參見圖9，其中二維笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)被示出為包括在(x，y) = (0,0)處彼此 相交的X軸和Y軸。圖9A示出沿與X軸相一致的平直軸24形成的排隊中的平直螺旋線圈 排20的式樣并且還示出變換為沿彎曲軸24’形成的彎曲雙螺旋線圈排20’的平直排。如 圖9B中所示，線圈排20具有規(guī)則圓柱的形狀，其內(nèi)徑y(tǒng) = yi，對應(yīng)于線圈孔。在該簡單示 例中，線圈排20被變換為具有圓形的曲率半徑的幾何結(jié)構(gòu)，其中R'對應(yīng)于沿與Y軸相一致 的中心線的彎曲的曲率半徑。在變換中，平直X軸24變?yōu)閺澢S24’，該彎曲軸24’是線圈 排20’的對稱軸。在安置于Y軸上并且正交于X軸的平面中，排20和排20’的橫截面完全 一致。彎曲軸20’關(guān)于Y軸(x = 0)對稱，具有內(nèi)曲率半徑R/ =R' _yi，和外曲率半徑 V = R' +y”對于給定點(Xl，Yl)的變換，彎曲半徑取決于y坐標(biāo)。R/ = R' -yiArc: = = ‘= x^R/ =Xl/(R' -yi)所得到的變換是x/ = R/ sin( AYl' =yi+R/ (l-cos(A^1))z/ =通過該彎曲變換，多極場成分的改變呈現(xiàn)為可歸因于如下導(dǎo)體間距，在弧內(nèi)側(cè)的 該導(dǎo)體間距小于在具有半徑(R' +yi)的弧外側(cè)的導(dǎo)體間距。沿具有半徑(R' -yi)的弧內(nèi) 側(cè)的增大的配線密度，即匝的相鄰部分之間的距離，在那附近創(chuàng)建了較高的場，與此相對， 沿弧外側(cè)的減小的配線密度導(dǎo)致了相對較低的場。該圍繞線圈軸的非對稱配線式樣被認(rèn)為導(dǎo)致了更高序多極分量的生成。將式樣從平直軸變換為彎曲軸的主要效果是主要創(chuàng)建四極 分量的場梯度。當(dāng)對于沿彎曲軸24’的橫向場期望純的偶極矩時，通過引入另外的力矩，可 以抵消由彎曲導(dǎo)致的更高序項，該另外的矩消除了因彎曲變換而引入的分量。通過將更高 序多極分量引入平直線圈20的式樣并且隨后將線圈20的經(jīng)修改的式樣變換為線圈20’的 經(jīng)修訂的式樣，可以有效地設(shè)計該補(bǔ)償。通過適當(dāng)?shù)剡x擇這些分量的符號和幅度，彎曲的線 圈排20’可以生成基本上純的偶極場。去除非期望的場梯度的校正可被確定為迭代過程， 直至非期望的分量減小至比偶極矩低多個數(shù)量級的因子。圖10示出可應(yīng)用于確定更高序項的示例性程序，該更高序項將被引入平直繞組， 以便于抵消由生成線圈20’的變換導(dǎo)致的更高序項。最初，針對沿平直軸24形成的每個線 圈排20生成空間彎曲導(dǎo)體式樣。對于純的偶極場，每個的初始值將是0。依賴于彎曲 磁體幾何結(jié)構(gòu)中所期望的多極矩，可以使空間彎曲是參數(shù)en中的一個或多個的函數(shù)。此 外，在圖10的迭代過程中，項￡ n中的不同項可以被識別為將被調(diào)節(jié)，以便于去除不需要的 多極分量的參數(shù)。將彎曲變換應(yīng)用于線圈排空間彎曲，以生成限定每個線圈排20’的彎曲的磁體幾 何結(jié)構(gòu)。隨后單獨地或者共同地計算每個線圈排20’的多極成分?？梢岳蒙衔拿枋龅母盗?葉分析來確定該多極成分。對于在分析中找到的每個分量，存在關(guān)聯(lián)的值￡n?；谠摲治?和指定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，某些多極場可以被識別為不需要的并且生成目標(biāo)函數(shù)以開發(fā)配線式樣 的調(diào)制，以便于生成抵消非期望的場的場分量。即，存在關(guān)于每個不需要的場分量的項￡n， 并且目標(biāo)函數(shù)被構(gòu)造為找到每個％值，以抵消不需要的場分量。當(dāng)并入式3時，由目標(biāo)函 數(shù)生成的每個en值將貢獻(xiàn)于生成抵消不需要的場分量之一的場分量。當(dāng)不需要的場的強(qiáng) 度下降低于預(yù)定值時，目標(biāo)函數(shù)可以被構(gòu)造為提供用于給定多極序的凈最小值場量值?；?于尋求使每個不需要的場分量最小的搜索，對于相關(guān)值n，修改參數(shù)en。一旦完成該操作， 則基于從平直線圈排20到沿彎曲軸24’的線圈排20’的新的空間彎曲(包括由目標(biāo)函數(shù) 生成的％值)的變換，可以重復(fù)該過程。更一般地，該過程可以被總結(jié)為，首先根據(jù)滿足規(guī)范的參數(shù)集合來限定關(guān)于沿平 直軸的線圈排的空間彎曲，隨后使彎曲變換為所期望的曲線幾何結(jié)構(gòu)。由這些規(guī)范確定偏 差。例如，根據(jù)圖10的過程，通過使影響空間彎曲的調(diào)制的參數(shù)變化來使偏差最小。在圖11中示出的另一示例中，根據(jù)式3A、3B和3C且n = 1，沿平直軸形成由兩個 線圈排18A和18B組成的雙螺旋線圈磁體16，每個排具有示例性的100匝和25mm的線圈 孔半徑。如此處使用的術(shù)語“線圈孔半徑”與用于內(nèi)側(cè)線圈排18A的式3B和3C中的距離 R相對應(yīng)。用于線圈排18B的式3B和3C中使用的距離R具有27mm的值。通常，在所描述 的實施例中，距離R對應(yīng)于沿線圈的對稱軸和用于生成線圈式樣的例如圓形導(dǎo)線的導(dǎo)體的 中心軸之間的距離。此外，假設(shè)可用的孔實際上略小于用于排18A的R值，以考慮導(dǎo)線粗度 和線圈支撐以及可能的其他插入材料?；陉P(guān)于磁體16的彎曲變換的磁體可以具有例如 排12A和12B的線圈排之間的相對間距，其與針對平直線圈排18A和18B描述的相對間距 相一致。即，即使排12A和12B圍繞彎曲軸形成，這些排中的每個排相對于中心軸的距離差 仍然與25mm和27mm的示例性距離相一致。然而，其他實施例可以部分地基于該間距的變 化。表la-Id列出了關(guān)于磁體16的沿軸的橫向的圓周的相應(yīng)計算的多極成分，以說明作為距軸的徑向距離的函數(shù)的多極場的依賴性。沿穿過磁體軸的中點的平面計算多極成 分，此外該中點離開每個線圈端部的距離也是三個孔直徑。圓具有相對于25mm孔的變化的 半徑，即，5mm、10mm、15mm和20mm，并且場計算基于236A的線圈電流，其生成1000高斯的偶 極場。表1還說明了，更高序多極分量(特別地，與偶極分量相比較)的相對量值隨離軸距 離的增大而增大。然而，可以看到，即使在25mm的基準(zhǔn)半徑處，其是線圈孔半徑的80%，更 高序多極場仍是主偶極場的約百萬分之一。
表la 基準(zhǔn)半徑R = 5mm處的關(guān)于平直線圈16的多極成分。1000高斯的偶極場 基于236A的線圈電流。
表lb 基準(zhǔn)半徑R = 10mm處的關(guān)于平直線圈16的多極成分。1000高斯的偶極場 基于236A的線圈電流。 表lc 基準(zhǔn)半徑R = 15mm處的關(guān)于平直線圈16的多極成分。1000高斯的偶極場 基于236A的線圈電流。 表Id 基準(zhǔn)半徑R = 20mm處的關(guān)于平直線圈16的多極成分。1000高斯的偶極場 基于236A的線圈電流。根據(jù)本發(fā)明的實施例，彎曲變換被應(yīng)用于平直線圈排，將其轉(zhuǎn)換為覆蓋90度的弧 部分的彎曲幾何結(jié)構(gòu)。在該示例中，所得到的繞組式樣與圖8的磁體10的形狀相一致。彎 曲線圈排12A和12B均基于一個平直排18A或18B的變換。對于偶極線圈12A和12B，在包 括任何另外的力矩以消除或抵消由彎曲變換導(dǎo)致的更高序項之前，表2中示出了計算的多 極場強(qiáng)度。如可以看到的，顯現(xiàn)了強(qiáng)的四極分量B2，其為主場B 1的約2%。此外，引入了 較小的更高序項。
表2 :20mm(線圈孔的80% )基準(zhǔn)半徑處的關(guān)于沿彎曲軸形成的磁體10的多極成 分。通過引入小的相位角度2X10—5，偏斜偶極分量An(n= 1)已被調(diào)節(jié)為1X10—7。1000高 斯的偶極場基于236A的線圈電流。應(yīng)當(dāng)注意，用于每個線圈18A和18B的X(0)式基于項、(^110)的存在而產(chǎn)生了 生成偶極場的式樣，用于減小因彎曲變換引入的所有更高序場分量的過程開始于向x( 0 ) 式引入另外的分量(6)X( 0 ) = [h/ (2 3i ) ] 0 +A1(sin 0 + e 2 sin (2 0 + A 小2) + e 3sin(3 e + A 小 3) + e 4 sin(4 e + A 小4))其中每個另外的分量具有與待抵消的分量的序相同的序。如從描述X(e)的式6 可見，沿平直軸的調(diào)制可以由多個正弦分量的和組成，每個分量具有加權(quán)因子￡n。一旦確 定了要被減小或消除的由向彎曲幾何結(jié)構(gòu)的變換引入的多極序分量，則用于每個該多極分 量的校正分量可以被并入關(guān)于X(e)的式，即通過分配適當(dāng)?shù)臋?quán)重進(jìn)行并入。這些非期望 的分量量值的抵消是通過向所添加的校正分量提供與非期望的分量的符號相反的符號而 達(dá)成的。在該示例中，所引入的抵消項被限制于四極分量￡2 Sin(2 0+A小2)，六極分量 e 3 sin(3 0+A cj53)和八極分量e4 sin (4 e + A 4)。使用公知的Simplex算法，按如下方 式使六個相應(yīng)參數(shù)％和A cj^(對于n = 2、3或4)最優(yōu)化，所述方式是來自變換的導(dǎo)致彎 曲線圈10的非期望的多極場變?yōu)榈窒?，即，用于每個更高序分量的凈量值被減小。如在表 3中可見，由此抑制了對應(yīng)于多極序2、3和4的分量。在表4中列出了最優(yōu)化的參數(shù)值en 和A (^。較之主場分量的量值，已被最優(yōu)化的所有多極場分量被減小到超過十個數(shù)量級的 水平。表3確認(rèn)了，相對于主場分量，較高多極序可被降低13至15個數(shù)量級。應(yīng)當(dāng)理解， 一些應(yīng)用不需要該高的場質(zhì)量，實施例包括將多極場分量抑制3個數(shù)量級或更高，例如，4、 6、8、10或更高的數(shù)量級。設(shè)計過程可以包括迭代最優(yōu)化的多次循環(huán)，其中在每次循環(huán)中對 彎曲式樣執(zhí)行新的場計算集合，并且通過修改平直幾何結(jié)構(gòu)使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化，直至非期 望的更高序分量的量值下降低于預(yù)定的可接受的水平。
33 表3 在引入抵消分量以抑制四極、六極和八極場之后，20mm(線圈孔的80% )基 準(zhǔn)半徑處的關(guān)于沿彎曲軸形成的磁體10的凈多極成分。電流保持在236A。 表4 導(dǎo)致表3中列出的場分量的最優(yōu)化的參數(shù)在執(zhí)行最優(yōu)化以確定關(guān)于參數(shù)的值之后，關(guān)于平直雙螺旋線圈16中的每個配線 式樣的x(e)式變?yōu)槿缦耎( 0 ) = [h/(2 3i)] 0 +A1* (sin ( 0 ) +1. 358833e_2X sin (2* 0 +1. 227936e_4)+7. 656867e-4 X sin (3* 0 +1. 786302e_4)+4. 299757e-5 X sin (4* 0 +2. 413683e_4))。在四極、六極和八極場的最優(yōu)化之后(比較表2和3中的值)，十極場分量的改變 指示了，在執(zhí)行調(diào)節(jié)程序中，不同序的多極分量不能彼此完全獨立地行動，即，它們未呈現(xiàn)抑制期間的完全正交的行為。在添加與較低序相對應(yīng)的調(diào)制分量之后，十極序的場(B5)從 值-3. 96E-03變?yōu)?4. 85E-03。然而，如果最優(yōu)化程序也包括這些序，則它們也將被極大地 減小。這里描述的用于調(diào)節(jié)或抑制某些多極分量的程序具有多種應(yīng)用。磁體線圈常常配 備有周圍的鐵軛，其可以增強(qiáng)由線圈生成的場或者需要該鐵軛來限制邊緣磁場。鐵在高磁 場下飽和，并且由于鐵軛飽和而引起的場增強(qiáng)。這在高水平的磁體激勵下導(dǎo)致了更高序多 極分量。如果在高場水平下該磁體的場均勻性是最重要的，則所描述的最優(yōu)化程序可以用 于抵消非期望的更高序項。對于彎曲幾何結(jié)構(gòu)，更高序抵消項可以根據(jù)下式被引入線圈幾 何結(jié)構(gòu)(7) X ( 0 ) = [h/ (2 3i ) ] 0 (s in 0 + e 3 s i n (3 0 + A 小 3) + e 5 sin(5 0 + A (j55+...))參數(shù)被最優(yōu)化以補(bǔ)償由某種線圈激勵下的鐵飽和引起的場分量。更一般地，在線 圈組件中可以抵消鐵飽和效應(yīng)和疊加的誤差場(例如，由材料的干擾磁系統(tǒng)引起)。這些類 型的校正也可以被實現(xiàn)用于此處描述的其他孔幾何結(jié)構(gòu)。此外，優(yōu)化方法可以用于補(bǔ)償由不可避免的制造容限引入的場誤差。所執(zhí)行的最 優(yōu)化示出了，可以以非常高的準(zhǔn)確性來控制系統(tǒng)場誤差，即對于導(dǎo)體式樣設(shè)計而言是本征 的場誤差。然而，磁體中可以實現(xiàn)的更高序多極場的抑制還取決于制造準(zhǔn)確性，即，取決于 導(dǎo)體放置的精確程度。由于在線圈制造中僅能夠按某個準(zhǔn)確性來放置導(dǎo)體，因此將導(dǎo)致不 需要的更高序場分量。在上述示例中，對于具有25mm孔的線圈，生成主偶極場的調(diào)制幅度 也是25mm。校正不需要的四極分量的最優(yōu)化的參數(shù)￡ 2 (參見表4)是1. 36X 10_2。使該因 子乘以主幅度等于約0. 35mm。在支撐槽的加工中能夠?qū)崿F(xiàn)的最小幅度調(diào)制主要由CNC機(jī)器 的加工中心的角度編碼器和馬達(dá)的分辨率來確定，在更小的程度上，由機(jī)器的絕對精度確 定。因此可以實現(xiàn)達(dá)到0. 001mm水平的主幅度的調(diào)制。本發(fā)明的實施例部分基于認(rèn)識到，螺旋線圈配置中的不同序的單獨的場分量不能 完全彼此正交。再次注意，當(dāng)僅針對三個另外的序執(zhí)行最優(yōu)化時，表3中示出的十極序化變 大，認(rèn)識到不能總是在不影響一個或更多個另外的不同序的多極分量的情況下來調(diào)節(jié)單獨 的多極序。例如，對于多個相關(guān)的多極序，同時對所有相關(guān)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化，可以確保所有 非期望的場分量的令人滿意的減小。因此，首先，通過減少或消除所有非期望的多極場分量，關(guān)于平直幾何結(jié)構(gòu)線圈配 置的設(shè)計可以被應(yīng)用于設(shè)計具有彎曲幾何結(jié)構(gòu)的線圈式樣。在所期望的容限程度內(nèi)，可以 沿彎曲孔構(gòu)造多極場質(zhì)量基本上與沿平直軸構(gòu)造的磁體相同的具有曲線孔的螺旋線圈磁 體。適用于應(yīng)用的另外的多極分量也可以被引入關(guān)于平直幾何結(jié)構(gòu)的分析，從而在變換為 關(guān)于彎曲幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計之后，磁體呈現(xiàn)基本上與沿平直軸構(gòu)造的磁體相同的多極場質(zhì) 量。對于所說明的實施例，實現(xiàn)所期望的質(zhì)量的方法可以包括通過修改描述平直幾何結(jié)構(gòu) 的參數(shù)來執(zhí)行平直和曲線式樣之間的變換的迭代過程，直至計算指示了，對于沿彎曲孔構(gòu) 造的磁體達(dá)到所期望的場性質(zhì)。場質(zhì)量直接基于多極場分量的相對量值。簡言之，對于圖8的示例，具有90°彎曲的雙螺旋線圈10的設(shè)計開始于首先從平 直幾何結(jié)構(gòu)到關(guān)于具有曲線線圈孔的磁體的幾何結(jié)構(gòu)規(guī)范的分析變換。隨后進(jìn)行場計算， 其指示由于線圈從平直軸到彎曲軸的直接變換而呈現(xiàn)非期望的更高序場分量的程度。在圖8的示例中，沿彎曲軸生成的場的建模確認(rèn)引入了四極矩，以及在更小的程度上，引入了更 高序多極分量。橫向場的分析指示了四極分量的存在，其約為沿具有20mm的基準(zhǔn)半徑，即 25mm的孔半徑的80%的圓周的偶極場的2%。再次參見表2。場計算表示在沿軸的位置的 值，這些位置離開線圈端部的距離是至少三個孔直徑。此后，確定針對分析的調(diào)節(jié)以生成適當(dāng)?shù)乃臉O分量，該四極分量抵消相對于偶極 場的約20高斯的四極量值。這是基于式6中示出的關(guān)系，其中調(diào)制因子en被表達(dá)為相對 于、的歸一化量值。前文論證了，當(dāng)創(chuàng)建彎曲幾何結(jié)構(gòu)時，在不使主要的例如偶極場的強(qiáng)度或質(zhì)量劣 化的情況下，螺旋線圈設(shè)計的組合功能能力可以抑制或消除非期望的四極矩。該調(diào)節(jié)過程 還可以被應(yīng)用于具有軛的完整磁體以按照需要消除飽和引起的多極。通常，圍繞彎曲軸形成的螺旋線圈可以被設(shè)計為產(chǎn)生具有給定序的基本上純的 場，例如偶極場，或者產(chǎn)生疊加的多極場的組合。通過設(shè)計，可以使一個或更多個場分量比 其他場分量大許多個數(shù)量級。此外，當(dāng)鐵軛包圍線圈時，可以產(chǎn)生純的偶極場，特別是在較 高的場水平下。螺旋路徑上的線圈繞組式樣可以被修改以實際上消除例如，偶極磁體中的 飽和引起的多極。在制造過程中可以實現(xiàn)更高序場的補(bǔ)償。如共同未決的申請Ser. No. 12/061，813 中描述的，將導(dǎo)體放置在精確加工的槽中確保了，在每個環(huán)路中按期望引入調(diào)制分量具有 足夠的準(zhǔn)確性，足以實現(xiàn)場消除。此外，將導(dǎo)體放置在加工的槽中對于制造具有圍繞彎曲軸 形成的雙螺旋形線圈的磁體是有利的，這是因為，減緩或完全避免了強(qiáng)洛倫茲力和溫度循 環(huán)作用下的導(dǎo)體的滑動或移動。對于正常傳導(dǎo)和超導(dǎo)繞組配置而言，形成彎曲線圈幾何結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體的穩(wěn)定是最重 要的。以前，傳統(tǒng)的繞組技術(shù)未應(yīng)用于彎曲磁體幾何結(jié)構(gòu)，例如，其中部分或所有孔沿彎曲 的對稱軸形成。如在螺線管或窗框型配置中，使繞組環(huán)繞彎曲支撐結(jié)構(gòu)纏繞是不適合的，這 是因為如此部署在彎曲幾何結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)體會容易地在支撐結(jié)構(gòu)的表面上移位或滑動。需要 將導(dǎo)體保持在適當(dāng)?shù)奈恢玫募夹g(shù)，以實現(xiàn)精確的和穩(wěn)定的導(dǎo)體放置。與電阻磁體相比較，在 高場超導(dǎo)磁體中，該要求是更加迫切的，這是因為存在作用在導(dǎo)體上的較大的洛倫茲力。由 于導(dǎo)體滑動引起的摩擦運動能夠引發(fā)超導(dǎo)線圈的淬滅，其中發(fā)生從超導(dǎo)相到正常傳導(dǎo)相的 迅速轉(zhuǎn)換。支撐結(jié)構(gòu)的表面中的支撐槽或溝道的加工是以高的機(jī)械牢固性實現(xiàn)精確的導(dǎo)體 放置的可靠方法。再次參見Ser. No. 12/061，813。圖13A-13G示出了根據(jù)本發(fā)明的關(guān)于線圈10構(gòu)造的制造特征。該設(shè)計并入了提 供圍繞彎曲軸24'配置的傾斜雙螺旋導(dǎo)體對的多個層。圖13F提供了沿穿過軸24'橫向 切開的任意平面的線圈10的橫截面圖并且說明了在芯104中形成的孔102。線圈10包括 多個線圈排12，包括圖8中示出的排12A和12B、此處還被稱為其他附圖標(biāo)記的其他特定線 圈排。每個排12包括在絕緣層中形成的螺旋導(dǎo)體。在軸24'的橫向的平面中，每個線圈 排12圍繞軸24'并且相對于其他排12同心放置。如圖中所示，不同的排12中的導(dǎo)體部分 通過一個或更多個絕緣體層相互電隔離。在被提到時，各種絕緣體層通?；蚬餐环Q為層 108。當(dāng)提到線圈10中的特定的絕緣體層時，使用了其他附圖標(biāo)記。絕緣體可以是相對剛 性的非傳導(dǎo)復(fù)合材料，其中可以加工溝道用于穩(wěn)定地將導(dǎo)體安置在每個線圈排中。然而，本 發(fā)明完全不限于該設(shè)計或者針對線圈10示出的傾斜螺旋式樣的布置。
適用于制造線圈的許多實施例的一個示例性的制造程序開始于圍繞芯104形成 并固化復(fù)合材料層108。芯可以是如圖中所示的可去除的心軸或者可以是永久結(jié)構(gòu)，諸如 不銹鋼圓柱，其在粒子加速器應(yīng)用中在磁體的使用期間提供束管或者用于在孔中創(chuàng)建真 空。心軸可以是可分解的或者化學(xué)可去除的。在其他實施例中，芯104可以是由例如玻璃 纖維樹脂形成的復(fù)合材料并且適用于在其中形成一個或更多個溝道以限定芯線圈排，例如 排12A。當(dāng)在同一排中形成多個溝道時，它們可以與提供諸如導(dǎo)體冷卻的輔助功能的一個溝 道(未示出)交織。心軸或芯可以是絕緣體或?qū)w。所示出的芯104是適用于在自動化過 程中安裝在計算機(jī)數(shù)控(CNC)機(jī)器上的可去除的樞軸。芯可由陶瓷、復(fù)合材料或其他可成 型或可加工的材料形成。盡管所說明的實施例建議了橫截面為圓形并且具有均勻孔直徑的 芯，但是其他幾何結(jié)構(gòu)也在考慮范圍內(nèi)。如圖13A中所示，在芯104上形成包括復(fù)合材料的絕緣體層108。該所謂的疊置 物(lay-up)可以例如是包括例如玻璃纖維、碳或芳綸的纖維的強(qiáng)化塑料，以及諸如環(huán)氧樹 脂或熱固性塑料的聚合物。層108可以被應(yīng)用為一系列的子層，每個子層包括細(xì)的、切碎的 股或交織纖維席，樹脂材料滲透過該細(xì)的、切碎的股或交織纖維席，或者被應(yīng)用為纖維顆粒 和聚合物的基體。基于許多考慮來選擇層108的厚度，包括待放置在層上的導(dǎo)體的厚度或 直徑、將導(dǎo)體放置在溝道中的所期望的深度、以及被安置在相鄰的同心排中的導(dǎo)體材料之 間的絕緣的最小厚度。復(fù)合物層108按傳統(tǒng)方式固化并且隨后根據(jù)所期望的容限被加工。 經(jīng)固化和加工的層108的實質(zhì)部分具有彎曲管的形狀，其在此處還被稱為彎曲圓柱體110。 再次參見圖13A，其示出了體110具有主外表面118，當(dāng)沿軸24'的橫向的平面查看時，其橫 截面是圓形的。然而，可以通過相似的方式制造所得到的線圈的非對稱幾何結(jié)構(gòu)。通常，層 108可以是任何管狀形狀，在一些實施例中具有對稱的中心軸或者多個厚度或者沿外表面 的可變的形狀。層108內(nèi)的孔102也可以具有圓形的形狀(S卩，在沿軸24'的橫向的平面 查看時)，但是更一般地，可以是管狀的并且具有任意的橫截面形狀。如現(xiàn)正針對復(fù)合物層 108描述的，使在相同或不同線圈排中形成的導(dǎo)體材料部分絕緣的所有復(fù)合物層具有第一 和第二相對端部區(qū)域，這些端部區(qū)域單獨地或共同地被稱為第一和第二線圈端部122、124。 線圈端部122、124是圍繞線圈孔102形成的，其在圖13F的橫截面圖中被示出為具有圓形 形狀。出于在加工過程期間安裝的目的，芯104被示出為延伸越過每個端部122、124，但是 將理解，芯可以終止于線圈端部處或線圈端部附近。線圈10的特征在于，層108和在其之上形成的其他層包括肩區(qū)域126，其可替選地 安置在線圈端部122、124中的一個或另一個處。在圖13A中，肩區(qū)域126與線圈端部124相 鄰。更一般地，參見圖13G，在沿如下平面截取的簡單的橫截面圖中，該平面沿孔102延伸， 其示出了一系列絕緣體層108，其中對于每個層108，肩區(qū)域126按照從孔102向軸24'外 側(cè)延伸的交替式樣形成在一個端部122或另一端部124處。所示出的肩區(qū)域126均具有彎曲圓柱形狀，或多或少地圍繞軸24'對稱安置。肩 區(qū)域126均可以具有大致兩倍于層108的沿主外表面118延伸的其他部分的厚度。通過相 對于層108的其他部分將大致兩倍的復(fù)合材料安置在肩區(qū)域中，可以形成肩區(qū)域。在復(fù)合 物固化之后可以通過對層108的加工，以對主外表面118和表面128塑形。如所示出的，肩 區(qū)域126可以被限定為具有兩個表面118和128之間陡峭的、階梯狀的過渡129或者表面 118和128之間的過渡，可以沿在表面118和128之間形成的斜面是漸變的。
下面參照圖13B，在層表面118中限定沿傾斜螺旋的路徑的溝道130，創(chuàng)建一系列 的溝道環(huán)路132。在該示例中，每個環(huán)路132可以是近似橢圓形的，應(yīng)當(dāng)理解，單獨的環(huán)路不 是閉合的形狀，這是因為它們是沿連續(xù)螺旋式樣的部分。溝道環(huán)路32共同限定用于放置一 段導(dǎo)體的路徑，該段導(dǎo)體對應(yīng)于線圈導(dǎo)體的第一排。這些環(huán)路可以具有比所示出的形狀更 加復(fù)雜的形狀，以便于限定或適合調(diào)制以及所期望的導(dǎo)體路徑的其他變化。如所示出的，溝 道130的一個或更多個環(huán)路132可以延伸到肩區(qū)域126中。溝道130被切割或者另外形成 在圓柱的外表面118中，從而使其延伸到層108中預(yù)定的深度d以限定導(dǎo)體路徑。溝道的位 于外表面118下方的部分的實際深度可以等于待放置于其中的導(dǎo)體的所有或部分厚度，從 而導(dǎo)體可以部分地或完全地安置在溝道130中。由溝道130限定的路徑沿主表面118延續(xù) 到肩區(qū)域126中。溝道130的在肩區(qū)域126中形成的部分沿過渡斜坡從層108中的一個水 平面(例如，表面118下方的給定深度)的位置延續(xù)到肩區(qū)域126中的對應(yīng)于下一絕緣體 層108中的仍待形成的溝道的預(yù)期深度的另一水平面，以在將導(dǎo)體安置在溝道130中之后 圍繞層108放置，該過渡斜坡從肩區(qū)域126延伸到可變深度，實現(xiàn)溝道130中的連續(xù)過渡。 參見 Ser. No. xxxxxx。圖13C中示出的特征是形成兩個路徑，即溝道岔路，其中溝道130沿兩個不同的方 向延伸。由于肩區(qū)域中的溝道深度減小，溝道分叉為沿表面128延續(xù)到過渡129的第一路 徑131以及在背離過渡129的方向上延續(xù)的第二路徑133。通過該配置，在將導(dǎo)體放置在溝 道130中之后，導(dǎo)體可以沿第二路徑133安置直至形成用于下一線圈排的溝道。仍然參照圖13C，纏繞過程開始于將導(dǎo)體138的線軸134安置在第一端部區(qū)域122 處。卷繞的導(dǎo)體具有端部到端部的足夠距離的連續(xù)長度，足以使導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)繞過線圈10的所 有溝道環(huán)路132，由此以免接合的方式將一系列導(dǎo)體環(huán)路136限定在同心線圈排中的每個 線圈排中。在這一點上，將導(dǎo)體稱為免接合的意指，盡管可以由多個連接的子段形成給定長 度的導(dǎo)體段，但是免接合的導(dǎo)體是其中不存在實現(xiàn)沿長度的連續(xù)性的離散連接的導(dǎo)體。通 常，這是因為導(dǎo)體的整個長度在最初時已被形成并且隨后作為具有不間斷的和連續(xù)的長度 的一個整體而保持。作為示例，可以將絲擠壓到至少給定的長度。免接合的導(dǎo)體并非是由 如下多個段形成的導(dǎo)體，此多個段在安裝于導(dǎo)體組件(諸如組件10)中之前或期間已彼此 電分離并且隨后耦合在一起(例如，通過機(jī)械裝置或者通過焊接)，并且由此具有一個或多 個可檢測的接合點的特征，該接合點提供了沿給定路徑的電連續(xù)性。相反地，給定長度的免 接合的導(dǎo)體段被形成為單個整體，在組件形成期間不需要用于實現(xiàn)連續(xù)性的任何較小長度 導(dǎo)體之間的任何連接。在多絲導(dǎo)體的情況中，給定長度的免接合的多絲導(dǎo)體段也是被形成 為單個整體的導(dǎo)體，在組件形成期間不需要用于實現(xiàn)連續(xù)性的任何較小長度導(dǎo)體之間的任 何連接。盡管前文在給定長度的免接合的導(dǎo)體的情況下使用了術(shù)語“段”，但是“段”可以意 指該長度的或者整個長度的一個或更多個部分。導(dǎo)體138的第一端部142以固定的方式被放置在層108的端部122附近并且導(dǎo)體 138的第一段150被放置在溝道130中。在生成線圈芯排146中的所有環(huán)路136之后示出 了導(dǎo)體段150，即在層108上的溝道130中形成的導(dǎo)體環(huán)路136的第一螺旋排。對于放置在溝道130中的導(dǎo)體138的第一段150，導(dǎo)體在最初時遵循肩部分128上 的第二路徑133，線軸134已在線圈端部124處被安裝在芯104上。將導(dǎo)體138放置在路徑 133中并且將線軸134安置在芯上允許線軸上的導(dǎo)體保持與導(dǎo)體段150的附著，同時下一
38復(fù)合層被形成并被加工以生成另一級溝道。作為示例，芯可以與其附著的線軸一起旋轉(zhuǎn)以 便于對下一復(fù)合層的彎曲管狀表面塑形并且切割溝道。一旦形成了下一級溝道，放置在路 徑133中的導(dǎo)體被去除并且被放置在第一路徑131中，以使纏繞過程在從線圈端部124到 線圈端部122的方向上繼續(xù)。將導(dǎo)體放置在路徑131中實現(xiàn)了導(dǎo)體138圍繞端部124的180度的旋轉(zhuǎn)，以便于 將用于插入的導(dǎo)體安置在另一溝道中，以形成第二線圈排。因此，圖13D示出了在固化和加 工以形成適當(dāng)?shù)膹澢軤畋砻嬷螅谛九?46和層108上方形成的復(fù)合材料層156。層 156包括經(jīng)加工的外表面162，該外表面162也具有彎曲管狀表面，第二溝道166被加工到 其中。層156進(jìn)一步包括肩區(qū)域126，其與線圈端部122相鄰并且具有如針對形成層108的 一部分的肩126而描述的特征，即厚度為層156的在外表面162中的部分的厚度的兩倍，并 且具有圓柱的外肩表面128。在表面162和128中例如通過加工形成溝道166以限定用于 容納導(dǎo)體的第二段152的第二螺旋路徑。當(dāng)層156在例如CNC機(jī)器上旋轉(zhuǎn)時，隨著在該層 156中加工溝道166，附著到芯104的線軸134和關(guān)聯(lián)的導(dǎo)體138與層156 —起旋轉(zhuǎn)。如參 照層108描述的，層156的肩區(qū)域126可以被限定為具有兩個表面162和128之間陡峭的、 階梯狀的過渡129或者表面162和128之間的過渡可以沿在表面162和128之間形成的斜 面是漸變的。此外，如針對層108的肩描述的，溝道166包括在肩區(qū)域中形成的從表面162 延伸并且朝向肩表面128延伸的部分。相對于表面128的肩區(qū)域126中的溝道深度的范圍 如參照圖13C討論的情況。溝道部分在層156的外表面128下方延伸可變深度直到該外表 面下方的預(yù)定深度，并且可以沿表面128延續(xù)到過渡129。亦如參照層108描述的，溝道的 沿表面128的部分包括兩個路徑，其中溝道166沿兩個不同的方向延伸，一個路徑131延續(xù) 到過渡129并且另一路徑133在遠(yuǎn)離過渡129的方向上延續(xù)，從而使導(dǎo)體可以在最初時被 放置在路徑133中并且隨后，在形成用于下一線圈排的溝道之后，被放置在路徑131中。圖13E示出了部分制造的線圈10，其具有放置在溝道166中的用于提供第二螺旋 線圈排170的導(dǎo)體138的段152。溝道166(參見圖13D)和線圈排170均是螺旋的，溝道 166包括環(huán)路172并且排170包括導(dǎo)體138的環(huán)路174。溝道和導(dǎo)體環(huán)路172和174的傾斜 角度與線圈芯排146的溝道和導(dǎo)體環(huán)路132和136的傾斜角度相反。例如通過對溝道166 進(jìn)行加工而預(yù)先限定用于第二線圈排170的線圈路徑使得能夠沿管形層156的彎曲表面62 固定地放置導(dǎo)體段152。該布置避免了滑動并且使延伸越過線圈排146的導(dǎo)體長度的其他 形式的運動最小。此外，如在圖13E中所見，對于沿溝道166纏繞的段152，線軸134與線圈 端部122相鄰地依次安置在芯104上，一部分導(dǎo)體138被安置在路徑133上，同時形成下一 絕緣體層并且在其中形成溝道。在排146和170上方形成一系列另外的螺旋線圈排12。在最初時，通過在層156 的端部122處從段152延伸的導(dǎo)體138，形成一系列另外的絕緣體層176中的第一個絕緣 體層和一系列另外的線圈排12中的第一個線圈排，并且交替的程序按照與用于形成復(fù)合 物層108、線圈芯排146、復(fù)合物層156和線圈排170的初始程序而描述的方式相似的方式 繼續(xù)。線軸被交替地固定到不同的線圈端部122、124，同時制造每個依次的其中具有溝道 的絕緣體層176。在其他實施例中，絕緣體層108、156、176可以被預(yù)先制造，沿表面形成溝 道，并且被安置在預(yù)先安置的層上方。預(yù)先制造的層會彼此疊置地滑動或者可以通過具有 例如蛤殼配置的部件而組裝，其中每個層由兩個部件形成，當(dāng)這兩個部件被一起放置時，形成了適用于圖8的線圈組件的彎曲管狀形狀。所描述的制造程序使得能夠形成具有圍繞彎 曲軸的例如雙螺旋的螺旋配置的免接合的磁線圈。通過該程序，不再需要將導(dǎo)體從下絕緣 級徑向向外路由，以在其中形成下一絕緣級的區(qū)域中從較低級突出。通過諸如CNC機(jī)器的 傳統(tǒng)設(shè)備，此處公開的制造程序可以是完全自動化的。利用免接合的導(dǎo)體建立連續(xù)線圈排 的能力提高了可靠性并且減少了關(guān)于焊接接合和接觸電阻的潛在考慮。如此處使用的術(shù)語“導(dǎo)體”意指相對剛性或柔性材料的線狀物或絲，通常意指線纜 或?qū)Ь€，其具有如下類型，包括單個傳導(dǎo)股或者作為一個功能傳導(dǎo)路徑而一起分組的這些 股中的多個股。術(shù)語“多股導(dǎo)體”意指被形成為單個可識別單元并且由多個傳導(dǎo)股組成的該 導(dǎo)體，這些傳導(dǎo)股彼此扭轉(zhuǎn)、交織、編織或互繞以形成可識別的單個導(dǎo)線單元。提到一個多 股導(dǎo)體意指應(yīng)用作為一個功能單元的單個可識別單元并且排除如下情況，當(dāng)多個股彼此未 扭轉(zhuǎn)、交織、編織或互繞時，具有在功能上一起分組的單獨的功能單元中的多個功能單元。 如此處使用的，多股導(dǎo)體僅意指其中多個股彼此扭轉(zhuǎn)、交織、編織或互繞以形成單個單元的 布置。根據(jù)本發(fā)明，多股導(dǎo)體可以采取體現(xiàn)圓形或非圓形橫截面輪廓的導(dǎo)體形式。在構(gòu)造 線圈10時可以使用許多橫截面溝道形狀和導(dǎo)體形狀。導(dǎo)體138可以是實心的芯或者多股 導(dǎo)體，具有圓形的橫截面、方形的橫截面、矩形的橫截面或相對平坦剖面的、帶狀形式。具有 矩形橫截面的多股導(dǎo)體可被編織為銅導(dǎo)體或用于超導(dǎo)應(yīng)用的盧瑟福型線纜。導(dǎo)體可以是例 如，具有帶狀剖面的基于YBC0的高溫超導(dǎo)體導(dǎo)線，其寬度尺寸的范圍是例如2mm與5mm之 間，并且厚度的范圍是例如0. 09mm與0. 3mm之間。通常，現(xiàn)在本發(fā)明的實施例在多個導(dǎo)體線圈排中的每個導(dǎo)體線圈排中提供諸如溝 道130或166之一的溝道，其具有適用于容納具有所期望的橫截面形狀的導(dǎo)體的剖面。依賴 于相應(yīng)的溝道剖面，提供該溝道可以導(dǎo)致一個或更多個另外的益處。例如，對于具有圓形橫 截面的導(dǎo)體，溝道可以具有相應(yīng)的圓形形狀，并且其寬度的尺寸非常接近于導(dǎo)體直徑或者 與之相似，并且深度約為導(dǎo)體直徑的一半。對于該布置，以及隨后在其上方涂覆的另一層復(fù) 合物，諸如其中一個層涂覆在導(dǎo)體段和部分層上面，可以精確地限定導(dǎo)體段的放置并且在 存在高磁場的情況下限制段運動。該放置可以總體上與下面的線圈排中的導(dǎo)體放置無關(guān)。參照圖14，示出了磁線圈排12C和12D(具有相反的傾斜角度)的示例性的雙螺 旋對，其遵循圍繞軸24'的螺旋路徑并且相對于圖13的環(huán)路136，在其每個環(huán)路202中包 括更高頻率的正弦分量，例如四極分量。除了排12A和12B中的多個排之外，可以使用所示 出的排12C和12D中的多個排以形成組合功能磁體組件，用于例如，按照固定磁場交變梯度 (FFAG)加速器的需要生成偶極和四極場。本發(fā)明的實施例不限于前述雙螺旋配置。如果需要，雙螺旋幾何結(jié)構(gòu)還允許制造具有精確設(shè)計的組合場功能的沿彎曲軸形 成的磁體。例如，設(shè)計可以在同一段彎曲軸上疊加用于使束軌跡彎曲的偶極場和用于使束 聚焦的四極場。圖14的透視圖示出了適用于組裝在線圈10(還參見圖13F)中的一對線圈 排12C和12D，其中每個排具有用于生成四極場的配線式樣。如所示出的，排12C和12D彼 此相鄰，以創(chuàng)建圍繞軸24'的雙螺旋配置。針對圖13的實施例描述的制造特征包括形成溝道130，其包括單獨的溝道環(huán)路 132。現(xiàn)在描述用于對線圈排中的這些導(dǎo)體溝道進(jìn)行加工的過程，這些線圈排遵循彎曲的軸 或者對于這些線圈排，孔半徑根據(jù)沿軸的位置而變化。以下示例性過程使得能夠?qū)μ峁?曲孔的支撐結(jié)構(gòu)或芯中的該溝道進(jìn)行加工，該支撐結(jié)構(gòu)或芯具有恒定曲率半徑和約90度的總彎曲角度。相同的過程可應(yīng)用于其他幾何結(jié)構(gòu)，特別是具有改變的孔半徑和變化的曲 率半徑的幾何結(jié)構(gòu)。適用于與圖13的制造過程合并的加工過程開始于提供與部分制造的線圈組件相 對應(yīng)的彎曲支撐結(jié)構(gòu)。如現(xiàn)在示出的，該結(jié)構(gòu)可以具有與所期望的磁體幾何結(jié)構(gòu)相一致的 形狀。圖15A、15B和15C在部分示意圖中示出了在中間制造階段期間安裝在加工機(jī)器上的 部分形成的線圈組件210，用以創(chuàng)建諸如線圈10的磁體線圈組件。部分形成的線圈組件210 包括一個或更多個線圈排12 (例如，圖13的排146或排170)，其中一個排沿圖中示出的暴 露表面。線圈排12可以在例如，如圖13中描述的樹脂復(fù)合物層中形成。根據(jù)其他實施例， 可以通過諸如此處描述的直接螺旋制造過程來制造組件。該組件被安裝用于圍繞彎曲的對 稱軸24'的中點214旋轉(zhuǎn)。該中點與CNC加工機(jī)器224上的旋轉(zhuǎn)的平直軸220相一致。組 件210在加工過程期間在軸220周圍旋轉(zhuǎn)，這限定了用于根據(jù)預(yù)先限定的配線式樣在每個 線圈排中放置導(dǎo)體的溝道。即，第一和第二相對端部217和219均固定地固定到卡盤221或 尾架223?？ūP或尾架與平直軸220對準(zhǔn)，而端部217和219位于相對于卡盤和尾架偏移的 位置，從而使軸24'可以圍繞軸220旋轉(zhuǎn)。通過該布置，組件210圍繞軸220的旋轉(zhuǎn)允許沿 彎曲表面的精確加工。本發(fā)明的特征在于，由于加工機(jī)器可以被編程為生成相對于預(yù)先限 定的中心軸24'的空間彎曲，因此沿表面118的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則性對精度的影響最小或沒 有影響。例如，當(dāng)制造圍繞中心對稱軸形成的會具有管形或彎曲圓柱形的該中間結(jié)構(gòu)時，制 造過程中的容限和誤差導(dǎo)致了沿表面的拓?fù)渥兓＿@些變化偏離表面圍繞中心軸的理想對 稱。通過形成例如用于在其中放置導(dǎo)體的溝道，基于所限定的軸和所期望的沿溝道的點的 位置之間的空間關(guān)系，關(guān)于在每個點處生成溝道的制造精度與沿表面的拓?fù)渥兓療o關(guān)。根 據(jù)一系列點形成溝道，每個點均具有預(yù)先限定的距對稱軸的距離。對于該系列中的點，預(yù)先 限定的距離是可以沿軸24'的橫向并且經(jīng)過該點的平面可測量的距離。盡管許多其他技術(shù) 是適用的，但是形成溝道可以包括沿表面應(yīng)用諸如銑刀的切割工具?？勺兊你姷段恢没?離軸距離，該軸不一定是對稱軸。因此對于其中溝道未穿過正被加工的結(jié)構(gòu)的實施例(如 根據(jù)直接螺旋制造過程制造的一些實施例的情況)，所得到的溝道相對于軸的位置主要受 與工具相對于軸的安置相關(guān)聯(lián)的制造容限的影響。對于這些實施例，溝道位置與沿表面的 拓?fù)渥兓療o關(guān)。可以在樹脂芯支撐物中對溝道130進(jìn)行加工。隨后將導(dǎo)體放置在其中，并 且重復(fù)圖13中描述的程序，包括在其上方形成層，該層被加工以創(chuàng)建用于容納另一級導(dǎo)體 的另一線圈排。圖15A示出了圍繞軸220的旋轉(zhuǎn)的第一位置處的組件，示出了其中軸24' 位于平行于視圖的平面中的視圖。圖15B示出了在圍繞軸220旋轉(zhuǎn)90度之后的第二位置 處的組件。圖15C示出了在相對圖15A圍繞軸220旋轉(zhuǎn)180度之后的第三位置處的組件， 其中軸24'再次位于與視圖平行的平面中?？梢岳酶咚巽姷?30切割溝道130，該銑刀被安裝為相對于軸220圍繞軸24' 的移位，根據(jù)笛卡爾(X，z)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行移位。組件210在軸220周圍旋轉(zhuǎn)，該軸平行于X 軸，從而使組件210經(jīng)歷與銑刀移位無關(guān)的旋轉(zhuǎn)移位?？梢酝ㄟ^如下方式調(diào)節(jié)相對于表面 的銑刀位置銑刀的尖端遵循沿線圈外形的表面的所需溝道式樣，以創(chuàng)建具有所限定的深 度的溝道。溝道式樣是基于開始于式3的變換和最優(yōu)化而確定的并且導(dǎo)致關(guān)于每個線圈12 的線圈式樣。銑刀230和旋轉(zhuǎn)組件210的協(xié)同運動基于針對線圈式樣而生成的一系列的點，其中沿每個軸的運動是獨立的。例如，對于圍繞軸220旋轉(zhuǎn)的組件，有必要提供用于遵循沿層 表面118的預(yù)期式樣的沿X軸的移位。然而，旋轉(zhuǎn)表面118的運動需要銑刀沿Y和Z軸的 運動，以確保在旋轉(zhuǎn)期間適當(dāng)?shù)馗欍姷?。進(jìn)一步地，通過執(zhí)行坐標(biāo)內(nèi)插并且相應(yīng)地沿多個 軸運動以確保銑刀沿表面118的平滑連續(xù)運動，以復(fù)制由圖10的最優(yōu)化過程導(dǎo)致的所建模 的式樣，增強(qiáng)了加工的準(zhǔn)確性。在關(guān)于示例組件210的圖15的實施例中，X-Z平面中的銑刀的旋轉(zhuǎn)運動使得能夠 將銑刀安置為，當(dāng)組件210旋轉(zhuǎn)時，在任何點處，銑刀總是垂直于該點處的沿表面118的切 向量。工具具有平面中的旋轉(zhuǎn)自由度以形成具有如下剖面的溝道，該剖面具有總是垂直于 沿表面的切向量的中心軸。當(dāng)切向量的方向改變時，工具相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)。該自由度可以適應(yīng) 變化的溝道形狀，諸如用于容納具有非圓形的，例如可能是矩形的橫截面的導(dǎo)體。工具還可 以根據(jù)與沿表面的切向量相垂直的角度來變化，以便于適應(yīng)諸如美國申請No. 12/061,813 中公開的變化的設(shè)計的導(dǎo)體形狀。對于圖15中示出的示例，當(dāng)銑刀230在XZ平面中旋轉(zhuǎn) 時，任何該運動影響銑刀的X和Z坐標(biāo)位置，并且必須向銑刀提供適當(dāng)?shù)?X，Z)移位以抵消 這些移位并且由此實現(xiàn)相對于軸24'的所需(X，Z)位置。為了將槽加工到具有所需幾何 結(jié)構(gòu)的組件210的彎曲表面中，因此，有必要向機(jī)器控制器提供沿每個可變軸的點坐標(biāo)。所 需用于加工過程的點坐標(biāo)的數(shù)目取決于待加工的溝道的所需精度并且在內(nèi)插之前，對于具 有約1米的弧長和10cm的孔直徑的大的線圈，可以達(dá)到百萬個點。對于其中對稱軸未處于 單個平面中的線圈設(shè)計，會需要另外的自由度以控制銑刀230相對于層表面的角度。圖15D是示出延伸到組件210的表面118中的溝道132的示例性部分285的橫截 面圖。該視圖沿溝道方向的橫向的平面。在該實施例中，銑刀290被安置為與沿表面的切向 量280成90度角度。所得到的溝道被形成為圍繞對稱軸295，該對稱軸295與表面118正 交。溝道部分285被示出為在表面118下方延伸深度d。在其他實施例中，溝道可以包括如 Ser. No. 12/061，813中描述的平坦的下表面和垂直的側(cè)壁，并且根據(jù)Ser. No. 12/061，813 的教導(dǎo)，對稱軸295可以與切向量成適當(dāng)角度以容納導(dǎo)體。盡管該對稱軸295的角度改變， (其中沿銑刀290的軌跡，銑刀被安置為與相對于前述90度角度成可變角度)，但是還根據(jù) 一系列點形成溝道，每個點均具有預(yù)先限定的離開對稱軸的距離。如針對圖15的說明而描 述的，預(yù)先限定的距離是可以沿相對例如軸24'的軸橫向并且穿過該點的平面可測量的距 離。盡管許多其他技術(shù)是適用的，但是形成溝道可以包括沿表面應(yīng)用諸如銑刀的切割工具。 可變的銑刀位置基于距軸的距離，該軸不一定是對稱軸。因此對于其中溝道未穿過正被加 工的結(jié)構(gòu)的實施例(如根據(jù)直接螺旋制造過程制造的一些實施例的情況)，所得到的溝道 相對于軸的位置主要易受與工具相對于軸的安置相關(guān)聯(lián)的制造容限的影響。即，對于這些 實施例，溝道位置與沿表面的拓?fù)渥兓療o關(guān)。當(dāng)放置在溝道中的導(dǎo)體不具有圓形形狀的橫 截面，例如具有矩形的橫截面，且對稱軸295具有相對于切向量的可變角度時，具有預(yù)先限 定的距軸(例如，如軸24')的距離的一系列點可以是導(dǎo)體形狀和可變角度的函數(shù)。即，式 樣與距軸的所需移位相一致，以確保生成所期望的多極序并且抑制非期望的多極序。通過應(yīng)用圖10的最優(yōu)化程序，以及此處描述的其他最優(yōu)化程序，可以減小系統(tǒng)誤 差的量值，即，去除非期望的多極分量，以達(dá)到如下程度，主要的誤差源是源自制造容限的 誤差，制造容限在此處被稱為隨機(jī)誤差。如上文討論的，通過相對于軸加工溝道，從而使溝 道的安置和所得到的導(dǎo)體的安置主要受與切割工具相對于軸的安置相關(guān)聯(lián)的制造容限的
42影響，可以減小該制造容限。通過該方法，制造容限與沿表面的拓?fù)渥兓療o關(guān)，即，并非是其 的函數(shù)。在所說明的示例中，通過被形成為經(jīng)過表面并且進(jìn)入結(jié)構(gòu)的溝道，基于測量的距中 心軸的距離，直接從配線式樣得到了溝道輪廓。因此，在諸如圖13和15中示出的制造過程期間使用諸如圖10中描述的最優(yōu)化程 序，可以將系統(tǒng)誤差減小至小于與制造容限相關(guān)聯(lián)的誤差的水平。此外，根據(jù)圖15的示例， 通過基于相對于軸的移位對溝道進(jìn)行加工，可以實現(xiàn)約0. 01mm的制造容限。還可以實現(xiàn)約 0. 001mm或更小的容限。制造變化仍然可能引入隨機(jī)誤差，相對于被抑制的系統(tǒng)誤差，其能夠?qū)е戮哂蟹?期望地大的影響的多極分量的生成。當(dāng)使用最優(yōu)化程序來去除系統(tǒng)誤差從而使制造容限是 主要的誤差源時，這是特別真實的。根據(jù)可應(yīng)用于需要較大的場均勻性的應(yīng)用中的另一組 實施例，當(dāng)在制造期間出現(xiàn)不需要的項時，程序抑制該不需要的項。在圖13和15中示出的 制造過程期間可以使用根據(jù)圖18的流程圖的示例性過程。包括多個線圈排的完整的導(dǎo)體 組件中的制造誤差是在每個線圈排的制造期間引入的誤差的積累。認(rèn)識到這一點，一旦形 成一個或更多個傳導(dǎo)線圈排12，對部分制造的結(jié)構(gòu)執(zhí)行場計算。例如，可以使電流行進(jìn)經(jīng)過 一個或更多個線圈排12，以測量場量值并且描述由部分制造的組件中的有限數(shù)目的排生成 的場質(zhì)量的特征。如果檢測到具有不需要的量值的多極場分量，則可以通過使用所描述的方法在隨 后的層中引入調(diào)制來抵消這些多極場分量。即，確定計算的和測量的場值之間的偏差，并且 如圖10中更詳細(xì)描述的，確定關(guān)于抵消該不需要的量值的參數(shù)集合的最優(yōu)化的值。隨著組 件繼續(xù)形成另外的線圈排12，可以重復(fù)測量完全形成的線圈排12中的偏差以及在上面的 層中引入抵消校正的過程。該過程的特征在于，制造容限對場質(zhì)量的影響根據(jù)徑向距離而 減小。假設(shè)對于范圍從最內(nèi)側(cè)的線圈排到最外側(cè)的線圈排的所有線圈排12，制造容限是相 同的，與外側(cè)線圈排相關(guān)聯(lián)的誤差對孔區(qū)域中的場質(zhì)量的影響將小于與外側(cè)線圈排相關(guān)聯(lián) 的誤差的影響。抑制生成不需要的多極場序的制造方法開始于確定滿足完全制造的例如磁體線 圈的導(dǎo)體組件的設(shè)計規(guī)范的繞組配置。這包括如表1中示出的偏斜的和正常的多極分量的 計算。接下來，形成一個或更多個線圈排12。這些線圈排可以是多對雙螺旋線圈排。對于 圖13和15中示出的過程，制造包括在線圈支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料層中對用于每個線圈排的 支撐溝道進(jìn)行加工。該結(jié)構(gòu)可以如所示出的那樣彎曲或具有平直圓柱的形式，或者可以包 括如后面針對另外的實施例描述的擴(kuò)張口形區(qū)域。導(dǎo)體被放置在加工溝道中，并且重復(fù)圖 13和15中示出的過程以創(chuàng)建所期望數(shù)目的線圈排，該數(shù)目小于完成的組件中的線圈排的 總數(shù)目。利用該部分制造的結(jié)構(gòu)，對多極成分進(jìn)行測量。可以利用公知的技術(shù)，例如在線圈 的孔中使用旋轉(zhuǎn)拾取線圈，來完成該測量。旋轉(zhuǎn)拾取線圈中感生的電壓的傅立葉分析允許 計算所制造的線圈排的多極成分。該技術(shù)可以提供相對于主多極分量的約10_5的更高序多 極場的測量準(zhǔn)確性。對于所測量的數(shù)據(jù)，針對每個多極序，確定正被構(gòu)造的磁體的所測量的和所需要 的多極成分之間的(例如，在量值方面)偏差。利用該數(shù)據(jù)，通過補(bǔ)償所測量的相對所需要 的場配置的偏差的方式，計算關(guān)于一個或更多個隨后的線圈排的配線式樣。如圖10中描述的，可以確定關(guān)于這些線圈排的導(dǎo)體布局，不同之處在于，當(dāng)沿平
43直軸執(zhí)行組裝時，未執(zhí)行彎曲變換根據(jù)函數(shù)x(e)、Y(e)和z(e)生成每個螺旋式樣；計 算繞組配置的多極分量；生成目標(biāo)函數(shù)，例如， 該目標(biāo)函數(shù)取決于不需要的多極場分量，S卩，基于所確定的偏差，并且當(dāng)偏差達(dá)到 所期望的最小值時達(dá)到最??；以及修改參數(shù)以并入函數(shù)達(dá)到最小時得到的值e2，... en。 對于該過程和圖10的過程，目標(biāo)函數(shù)到達(dá)的最小值必需是絕對最小值。該程序確定了調(diào)制 分量(幅度和相位角度)，其被引入關(guān)于一個或更多個隨后的線圈排的配線式樣中以抵消 所測量的相對所需要的場配置的偏差。隨著制造繼續(xù)，圍繞支撐結(jié)構(gòu)形成線圈排的總數(shù)目 中的一個或更多個另外的線圈排，以繼續(xù)制造組件。此外隨著制造繼續(xù)，可以重復(fù)相同的測 量、確定偏差和計算抵消調(diào)制分量的過程。在外側(cè)線圈排中提供調(diào)節(jié)以補(bǔ)償內(nèi)側(cè)線圈排中 的制造誤差的該過程顯著地減小了完成的線圈的更高序多極場相對其設(shè)計目標(biāo)的偏差。該 過程可以提供連續(xù)的調(diào)節(jié)。由于更高序多極場，即四極、六極等，根據(jù)(R/R。)11—1而減小，其中 r是導(dǎo)體半徑，R。是基準(zhǔn)半徑并且n是多極序，因此該過程匯聚成高的場保真度。該因子對 于外側(cè)的排和給定的基準(zhǔn)半徑迅速增大。因此對于距基準(zhǔn)半徑更遠(yuǎn)的外側(cè)的線圈排，放置 準(zhǔn)確性不是那么重要，并且對于外側(cè)的線圈排，導(dǎo)體放置準(zhǔn)確性不是那么嚴(yán)格。在圖12A的部分視圖中，根據(jù)式3和n = 1沿平直軸X形成由多個線圈排32 (僅 示出了一個)組成的線圈磁體30，該排具有示例性的100匝和25mm的線圈孔半徑。圖12B 示出了磁體30的沿橫向于沿X軸的點的平面截取的橫截面，說明了磁體30是包括彼此圍 繞地形成的任意數(shù)目的線圈排12i和孔102的組件。磁體30的特征在于，如果在磁體中生 成場，則將存在凈軸向場分量。這將與如下雙螺旋設(shè)計比較，其中向線圈排提供相反的傾斜 角度以消除軸向場并且使對稱軸的橫向的平面中的場最大。根據(jù)圖12的實施例，每個線圈 通過值A(chǔ)n進(jìn)行配置，其提供了沿軸X的相同方向上的凈軸向場分量，從而使磁體30的凈軸 向場分量是每個線圈排12i生成的軸向場分量的量值的和。在示例性實施例中，所有4 值 具有相同的符號并且因此每個線圈排相對于軸的橫向的平面朝相同方向“傾斜”。即，參照 圖13C，所有線圈排如針對導(dǎo)體環(huán)路136示出呈現(xiàn)相同方向的傾斜，而非如針對圖13E的環(huán) 路174示出的呈現(xiàn)相反的傾斜的交替的排。此外，參見圖12C，部分示意圖僅示出了三個連 續(xù)的線圈排32i中的每個線圈排中的一個示例性導(dǎo)體環(huán)路34i(i = 4，5，6)。每個排中的每 個環(huán)路32i表示該線圈排32i中的一系列環(huán)路，具有相對于平面Pi的相同方向上的傾斜角 度“％”，該平面Pi是軸X的橫向的平面。出于清楚的目的，在沿軸X的不同位置處示出了 每個線圈排中的單獨的環(huán)路。圖12C中示出的不同線圈排的所說明的環(huán)路均被配置為提供 主偶極場，但是將理解，其他實施例可以在單獨的線圈排中或者不同的線圈排中并入多個 多極配置。在一個實施例中，磁體30的線圈排根據(jù)X()式，S卩，ai = a2 = a3，可以具有基本 上相同的螺旋配置。在其他實施例中，單獨的線圈排可以被設(shè)計為提供不同的性能特征并 且可以獨立地控制。例如，排與排之間的傾斜角度％可以不同，以顯現(xiàn)軸向和橫向場強(qiáng)度的 比例變化。如圖12C中所示，這可以通過將不同的線圈排分立地連接到不同的電源？51用 于獨立控制而實現(xiàn)。在另一設(shè)計中，磁體30可以包括多組線圈排，其中每個組連接到分立 的電源。在這些實施例中，可以按磁體30的相對場強(qiáng)度的比例來控制電源。這不僅考慮了 軸向和橫向場強(qiáng)度的比例，還考慮了不同的多極序的相對強(qiáng)度。在被形成為具有多個線圈排的線圈組件的其他實施例中(包括但不限于雙螺旋配置)，同樣有利的是，分立地控制單 獨的線圈排或者線圈排組。例如，在粒子束應(yīng)用中，通過修改提供給例如，偶極和四極的不 同繞組配置的電流，可以實現(xiàn)磁體組件中的聚焦能力的改變。給定線圈幾何結(jié)構(gòu)的多極分量受到繞組配置的對稱性的強(qiáng)烈影響。在諸如所示出 的排32的單層螺旋繞組的端部，由于不同排中的所有傾斜位于相同的方向上，因此打破了 上下對稱性。在雙螺旋實施例中，通過形成具有相等但相反的傾斜角度的線圈對，每個線圈 排的非對稱性受到另一線圈排的反擊。對于具有作為主分量的偶極場的磁體30，如果未被 補(bǔ)償，則該非對稱性將在線圈端部附近引入更高序多極場。如從表5可見，即使在線圈的中 心，即距端部的距離約為3個線圈孔直徑，相對于圖11的雙螺旋線圈磁體16，仍存在顯著 的四極場B2。與表Id的比較示出了該效果，表Id說明了關(guān)于同一線圈幾何結(jié)構(gòu)但是具有 兩個排18A和18B(提供了雙螺旋配置，其中成對的線圈具有相反的傾斜角度)的場分量。 然而，通過對圖8的彎曲線圈應(yīng)用諸如圖10中描述的最優(yōu)化程序，對于被形成為具有諸如 排32的平直螺旋線圈排的磁體，可以使更高序場最小。在其他實施例中，線圈排可以沿彎 曲軸形成。在平直幾何結(jié)構(gòu)的該示例中，修改圖10的程序，以不包括執(zhí)行彎曲變換的步驟。 表6中示出了針對該平直幾何結(jié)構(gòu)線圈磁體30的該最優(yōu)化的結(jié)果，其中再次地僅對四極、 六極和八極分量進(jìn)行了最優(yōu)化。表7中給出了從最優(yōu)化獲得的乘法因子。作為執(zhí)行最優(yōu)化 的結(jié)果，將調(diào)制引入一個或更多個線圈排以抵消與每個線圈排32相關(guān)聯(lián)的更高序場分量 的量值。例如，四極場B2被減小至小于主場偶極分量的值的10_9的值。同時被最優(yōu)化的其 他分量呈現(xiàn)相似的場強(qiáng)度減小。該計算確認(rèn)了，可以在不使用如'042專利中描述的雙螺 旋配置的情況下構(gòu)造具有高質(zhì)量場的螺旋線圈排。該磁體設(shè)計可以例如，在粒子束加速器 中提供與高質(zhì)量橫向場組合的軸向場。相同的概念可以應(yīng)用于束彎曲和聚焦的應(yīng)用。主場 分量可以是四極場甚或是更高序的場。如針對其他實施例描述的，可以基于沿軸的橫向的 平面的圓中的多極成分，確定場質(zhì)量。
多極序AnBnCn12. 02E-031. 00E+031. 00E+032-1.13E-03-1. 88E-021. 88E-023-3.42E-05-1. 76E-031. 76E-034-2. 01E-061. 65E-031. 65E-0357. 55E-07-1.67E-031. 67E-0364. 44E-078. 87E-048.87E-0472. 69E-069.89E-049.89E-04
45 表5 位于繞組中心的平直單層線圈的多極成分。與雙層線圈(參見表Id)相比 較，引入了增大的四極分量B2。線圈電流已被調(diào)節(jié)為472A，生成了 1000高斯的偶極場。使單層平直線圈中的多極場最優(yōu)化 表6 使四極、六極和八極分量最優(yōu)化之后的基準(zhǔn)半徑20mm(線圈孔徑的80%)處 的平直單層線圈的多極成分。電流保持在472A。特別地，與表5相比較，四極場分量B2已 被顯著減小。
表7 關(guān)于平直單層線圈的最優(yōu)化的幅度因子和相位角度。如上文針對圖11的雙螺旋線圈磁體16示出的，在距線圈端部的距離為2 3倍 線圈孔徑的雙螺旋線圈的中心處，高度抑制了更高序多極場。300mm的磁體16具有內(nèi)側(cè)排 18A的第一和第二線圈端部22A和22B，并且具有外側(cè)線圈排18B的第一和第二線圈端部 22C和22D。參照圖16A，在接近線圈端部(+/_150mm)的位置處，從距線圈端部的距離約為 50mm (或者大致一個孔直徑)處開始，更高序項顯著升高，達(dá)到最大值并且典型地在越過線 圈端部一個孔直徑內(nèi)最終下降到0。對于大部分應(yīng)用，諸如通過在磁體的整個長度上對每個 更高序多極場積分并且將該值與主場分量的相應(yīng)值比較，性能規(guī)范基于分量的相對量值。 這樣確定由線圈端部導(dǎo)致的更高序多極場是否是可接受的。根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以在磁體線圈的整個軸向長度上，并且具體地，在線圈端 部的一個孔直徑內(nèi)的區(qū)域中實現(xiàn)較高的場均勻性。提供該改進(jìn)的場質(zhì)量的第一設(shè)計基于例 如，在線圈排的每個線圈端部的一個孔直徑內(nèi)，沿磁體軸引入可變的孔和線圈排直徑。用于 描述這些實施例的術(shù)語“擴(kuò)張口形區(qū)域(flared reagion) ”是指一種包括曲面輪廓的幾何 結(jié)構(gòu)，該曲面輪廓從軸徑向地向外延伸(螺旋導(dǎo)體式樣圍繞該軸延伸)，并且距軸的距離根 據(jù)沿軸的位置而變化。在示例性實施例中，該曲面輪廓圍繞軸對稱，但是本發(fā)明不限于此。圖17A示出了作為線圈磁體16的修改方案的線圈組件40，其中兩個線圈排中的每 一個，即內(nèi)側(cè)線圈排42A和外側(cè)線圈排42B，一起形成雙螺旋線圈。線圈排42A和42B均包 括沿每個線圈端部的擴(kuò)張口形區(qū)域48。內(nèi)側(cè)線圈排42A具有相對的線圈端部44A和44B，而 外側(cè)線圈排42B具有相對的線圈端部44C和44D。此外，線圈排與針對圖11的線圈排18A 和18B描述的幾何結(jié)構(gòu)相一致。即，在每個線圈排中存在100匝，并且沿軸的內(nèi)側(cè)部分(即， 距每個線圈端部的距離超過一個100mm的孔直徑)，孔半徑是25mm并且外側(cè)線圈42B的半 徑是27mm。圖17B是示出圍繞中心對稱軸46安置的線圈組件40的立視圖。如圖17中所示，在距每個線圈端部44A和44B的100mm內(nèi)，線圈孔半徑(還對應(yīng)于 內(nèi)側(cè)線圈排42A的半徑)單調(diào)上升。在從每個線圈端部44A和44B向內(nèi)延伸100mm的中心 區(qū)域中，線圈孔半徑和內(nèi)側(cè)線圈排42A的半徑均為25mm，對應(yīng)于50mm的直徑。在距每個線 圈端部44C和44D的100mm內(nèi)，外側(cè)線圈排42B的半徑單調(diào)上升。在距每個線圈端部44C和 44D的100mm處，外側(cè)線圈排42B的半徑是25mm。在線圈端部(44A、44C)和(44B、44D)處， 孔半徑增大到約50mm或在線圈端部處直徑增大到約100mm。外側(cè)線圈排42B的半徑從27mm 的半徑(54mm的直徑)單調(diào)上升到線圈端部處的54mm的孔半徑(108mm的直徑)。在其他 實施例中，組件可以包括在恒定孔(或線圈排)半徑的部件之間形成的具有可變孔(或線 圈)半徑的中心擴(kuò)張口形部分。參見例如，圖23中示出的磁體組件300的部分355、360和 370。Ser. No. 12/061，813中描述的制造技術(shù)使得能夠制造導(dǎo)致擴(kuò)張口形孔50的擴(kuò)張口形區(qū)域48。亦如此處所描述的，將其中放置導(dǎo)體的精確的支撐槽加工到支撐結(jié)構(gòu)中。用 于改變孔的加工過程與為制造如參照圖13和15描述的彎曲線圈而執(zhí)行的過程相似。通常，為了根據(jù)圖17的擴(kuò)張口形(flared)幾何結(jié)構(gòu)制造磁體，通過模具形成芯， 在芯上方形成纖維強(qiáng)化復(fù)合疊置物以創(chuàng)建其中形成用于容納線圈的槽的基底。芯包括與 擴(kuò)張口形區(qū)域48的所期望斜率相對應(yīng)的斜率并且在復(fù)合疊置物固化和加工之后可將芯去 除?？梢酝ㄟ^例如水的溶劑去除芯或者以化學(xué)方式去除芯。將理解，可以彼此疊置地形成 多個層以創(chuàng)建多個雙螺旋配置或者單螺旋配置(參見圖12)，該單螺旋配置也可以并入擴(kuò) 張口形端部區(qū)域48。即，一系列樹脂復(fù)合物層彼此疊置地順序形成，插入的線圈被放置在沿 每個層表面加工的槽中。再次參見Ser. No. 12/061, 813。線圈排42A和42B均從沿軸46距中點CP的移位為+/_50mm處開始偏離于具有恒 定半徑(例如，25mm或27mm)的平直圓柱式樣。如所示出的，線圈排的擴(kuò)張口形區(qū)域48可 以在+/-50mm處具有針對0. 25的線性斜率的陡峭過渡，或者可以被形成為具有針對恒定斜 率的逐漸的漸變過渡。所得到的每個線圈端部處的孔半徑是50mm?？商孢x地，擴(kuò)張口形可 以遵循二次斜率(未說明)并且也可以遵循其他斜率以提供最優(yōu)的原始孔半徑中的端部場 效應(yīng)的減小。通過提供非線性的斜率，可以在抑制線圈端部正常存在的更高序分量的同時， 創(chuàng)建例如偶極的主場分量中的更加陡峭的減小。為了說明通過并入諸如圖17中示出的擴(kuò)張口形線圈端部區(qū)域48可以實現(xiàn)的改 進(jìn)，圖16A示出了六極分量，其對于圖11中示出的磁體16的平直幾何結(jié)構(gòu)配置是普遍的。 顯著地，在20mm的基準(zhǔn)半徑處，在距離磁體16的中點CP約125mm和175mm處存在峰六極分 量。圖16B示出了當(dāng)根據(jù)圖17修改磁體16以并入擴(kuò)張口形端部區(qū)域48時，這些相同位置 處實現(xiàn)的被抑制的六極分量。即，對于磁體40，線圈端部附近的，即距離中點CP'約125mm 和175mm處的峰六極分量按超過10的因子來降低。對于更高序多極項，擴(kuò)張口形提供了關(guān) 于線圈端部的更大的抑制。參見表8A和8B，其提供了相對軸橫向的平面中的若干不同的 多極分量的值。表8A提供了距離磁體16的中點CP+125mm處的場值，S卩，每個圖11和16A 的場值。表8B提供了距離磁體40的中點CP' 125mm處的場值，S卩，每個圖17和16B的場 值。表8C說明了，通過并入圖17的擴(kuò)張口形孔幾何結(jié)構(gòu)，磁體40的中點CP'處的場未劣 化。對于主場是偶極場的情況，擴(kuò)張口形端部將更高序六極場分量減小至相對小的值。當(dāng) 主場分量是四極場時，這種擴(kuò)張口形也將更高序場分量減小至相對小的值。
表 8A 表 8B
表8C 具有擴(kuò)張口形端部的平直線圈的多極分量。對距兩個端部的距離為3個線 圈孔徑的線圈的中心處的多極場沒有明顯的影響。軸向方向上的線圈的中心處的多極場。 電流被調(diào)節(jié)為238A。生成1000高斯的偶極場。該表示出了線圈中心處的高的場均勻性，其 中所有更高序場小于或等于主偶極場的千分之幾。用于改進(jìn)線圈端部中的場均勻性的另一實施例基于針對彎曲線圈示出的最優(yōu)化 程序。圖19中描述了迭代的最優(yōu)化過程。該程序是可應(yīng)用于圖8的彎曲幾何結(jié)構(gòu)和圖12 的平直幾何結(jié)構(gòu)的算法的歸納。幅度因子％不再恒定而是必須依賴于軸位置進(jìn)行調(diào)節(jié)并 且因此取決于方位角e。為了適應(yīng)該軸依賴性，％值變?yōu)榻莈的函數(shù)。在該程序的一個 實施例中，每個乘法因子￡n值可以被描述為冪級數(shù)并且隨后典型地通過如下式中示出的 2 4個參數(shù)給出。 需要被最優(yōu)化的參數(shù)的數(shù)目增大，但是通過相同的方式執(zhí)行迭代最優(yōu)化。圖19中 示出了可應(yīng)用的算法的完整表述。利用該算法確定調(diào)制分量，當(dāng)調(diào)制分量被添加到x( 0 ) 函數(shù)時，減小了更高序多極場分量(例如，圖16A中示出的六極分量)。如針對并入擴(kuò)張口 形線圈端部區(qū)域的實施例而討論的，根據(jù)最優(yōu)化過程抑制線圈端部附近的更高序多極的實 施例通常將非期望的序減少至相對于主場分量的102或更大的因子。當(dāng)主場分量是偶極場 時，未修改的端部場具有顯著的六極分量；而當(dāng)主場分量是四極場時，未修改的端部場包括 一個或更多個顯著的更高序分量?？梢愿鶕?jù)被稱為直接螺旋(DH)設(shè)計的設(shè)計以及被稱為直接螺旋(DH)過程的過程 來制造本發(fā)明的實施例。直接螺旋過程使得能夠直接創(chuàng)建沿具有傳導(dǎo)的外表面的管形結(jié)構(gòu) 的連續(xù)導(dǎo)體路徑。管形結(jié)構(gòu)可以具有規(guī)則圓柱的形狀或者可以采取非線性的形狀，包括附 圖中各個圖中示出的形狀，包括沿彎曲軸和具有變化的半徑的孔的彎曲幾何結(jié)構(gòu)。在一個系列的實施例中，連續(xù)的螺旋形導(dǎo)體具有變化的材料寬度(可跨越沿導(dǎo)體路徑的橫向的平 面截取的橫截面而測量)，這可以在仍維持所期望的磁場特性的同時，減小導(dǎo)體的總電阻。 導(dǎo)體橫截面可以被調(diào)節(jié)和最優(yōu)化以提供所期望的場特性和電性質(zhì)。傳導(dǎo)的外表面可以是在 管形基底上行形成的層或者可以是由例如擠壓銅形成的實心的、單體傳導(dǎo)管的表面或者可 以是金屬殼體。對外導(dǎo)體表面的厚度沒有限制，并且特別地，其厚度范圍從至少數(shù)微米到數(shù) 厘米?，F(xiàn)正描述的設(shè)計和制造方法的示例涉及圍繞基底安置的電傳導(dǎo)管以及進(jìn)行加工 以除去部分傳導(dǎo)管以留下連續(xù)的導(dǎo)體路徑。該路徑可以具有沿規(guī)則圓柱的形狀形成的傾斜 螺旋的形式，但是其他多極和多極的組合也被考慮。在多層線圈的實施例中，對于每個層或 線圈排，沿表面形成傳導(dǎo)線圈式樣，其可以接合或另外附著至絕緣體層，該絕緣體層可以提 供使基底穩(wěn)定的功能。通常，通過許多已知技術(shù)中的任何技術(shù)，諸如利用工具的加工、蝕刻或激光切割， 可以在管形表面中形成所期望的導(dǎo)體剖面。在所限定的導(dǎo)體路徑的外部區(qū)域中的與傳導(dǎo)表 面電接觸的所有傳導(dǎo)材料被去除，以留下空隙，該空隙可以簡單地提供線圈環(huán)路之間的空 間間隙，或者可被填充適當(dāng)?shù)碾娊橘|(zhì)材料。在一些實施例中，該空隙可以被填充環(huán)氧樹脂以 提供所期望的機(jī)械強(qiáng)度和電介質(zhì)性質(zhì)或者可以被用作例如，用于使水或液氮沿導(dǎo)體表面流 動的一個或更多個冷卻溝道。冷卻劑可以直接與每個導(dǎo)體接觸。此外，通過引入導(dǎo)體層之 間的間隙可以改進(jìn)冷卻水平。這減小了冷卻劑流動的阻力并且可以去除更多的熱。本發(fā)明的實施例可以并入部分基于’ 042專利中描述的概念的雙螺旋繞組配置，但 是繞組幾何結(jié)構(gòu)可以按匝以及按層變化以實現(xiàn)類似于配備有公知的“導(dǎo)線”纏繞線圈的所 期望的場配置和場質(zhì)量特性。利用本發(fā)明的實施例可以設(shè)想傳導(dǎo)材料的大量的選擇，這些 選擇包括銅、鋁和多種類型的超導(dǎo)材料?？梢垣@得非常牢固的線圈繞組。通常，不適于傳統(tǒng) 導(dǎo)線制造的許多傳導(dǎo)材料可用于實踐本發(fā)明。例如，本發(fā)明允許使用具有薄片或管的形狀 的超導(dǎo)材料。在其他實施例中，如相同超導(dǎo)體的帶狀導(dǎo)體的制造中使用的，通過將材料層直 接沉積到適當(dāng)?shù)幕撞牧仙?，可以在本發(fā)明的過程中使用如YBC0的高溫超導(dǎo)體。在這些應(yīng) 用中，由于如YBC0的超導(dǎo)體的導(dǎo)體層的厚度典型地僅為1或2微米，因此可以制造具有非 常小的內(nèi)建半徑的多層線圈。這些實施例對于具有脆弱本質(zhì)以及對可實現(xiàn)的彎曲半徑有限 制的高溫超導(dǎo)體是有利的。此外，由于可以通過材料去除過程在原位形成傳導(dǎo)線圈，因此本發(fā)明允許容納非 ?！按蟮摹睂?dǎo)體，即具有大的橫截面的導(dǎo)體，同時不會遇到可能因使導(dǎo)線符合螺旋式樣而導(dǎo) 致的許多困難。另一方面，經(jīng)由例如，蝕刻或激光去除過程，可以獲得關(guān)于線圈配置的非常 小和細(xì)的線幾何結(jié)構(gòu)。因此本發(fā)明的實施例良好地適用于醫(yī)療設(shè)備和小型傳感器。示例包 括磁共振成像應(yīng)用和導(dǎo)管。此外，本發(fā)明允許提供沿螺旋式樣中的每個匝或環(huán)路的可變的 導(dǎo)體橫截面以進(jìn)一步減小電阻，或者使場形狀最優(yōu)化。本發(fā)明不限于形成圍繞對稱軸的螺 旋線圈形狀并且可以應(yīng)用于通過去除材料而沿表面創(chuàng)建許多傳統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的特征 在于，使得傳導(dǎo)式樣能夠具有通過傳統(tǒng)導(dǎo)線纏繞技術(shù)不能達(dá)到的非常小的曲率半徑。此處 描述的許多實施例可以被制造為直接螺旋設(shè)計并且圖15中描述的方法可以適于執(zhí)行材料 去除過程。直接螺旋制造過程開始于提供電傳導(dǎo)管或?qū)?，其與支撐結(jié)構(gòu)接合或沉積到支撐結(jié)
51構(gòu)上。完全穿通導(dǎo)體材料的槽被切割到層中，從而保持沿表面的傳導(dǎo)路徑，該傳導(dǎo)路徑形成 了適用于生成磁場的繞組或者在存在變化磁場的情況下感生電壓。被切割到傳導(dǎo)材料中的 槽留下了空隙或空間，其使相鄰的繞組匝彼此電隔離。通過在同心配置中組合這些管或?qū)?，形成了多層線圈配置，線圈排彼此絕緣，盡管 形成每個線圈排的導(dǎo)體可以在其他排中串聯(lián)電引線到導(dǎo)體以創(chuàng)建多級磁系統(tǒng)。即，沿每個 管或?qū)有纬傻木€圈端部可以連接到一個或更多個其他管中的線圈端部，從而得到用于多層 結(jié)構(gòu)的連續(xù)的導(dǎo)體路徑。在該實施例中，可以在多個管或者線圈排的層之間引入間隙，其允 許冷卻劑與導(dǎo)體的多個面接觸，用于高效地去除導(dǎo)體生成的熱。針對偶極線圈，描述了被稱為直接線圈(Direct Coil)的根據(jù)本發(fā)明的線圈配置 的示例以及關(guān)聯(lián)的示例性設(shè)計過程。以下描述限于單層線圈或線圈排，形成另外的層的過 程遵循相同的程序。示例性的直接線圈具有螺旋形狀并且配置在此處被稱為直接螺旋或 DH。如同傳統(tǒng)的線圈設(shè)計，開始于關(guān)于偶極線圈的給定規(guī)范。表9中示出了所需用于 設(shè)計偶極線圈的相關(guān)參數(shù)表9 關(guān)于偶極線圈的典型的設(shè)計參數(shù) 對于給定的線圈孔和線圈長度，常常期望在連續(xù)的、正常的傳導(dǎo)操作中達(dá)到最高 的可能場強(qiáng)度。在任何磁體線圈中，可實現(xiàn)的場強(qiáng)度受如下電流量的限制，即可應(yīng)用于線圈 而不會使繞組過熱，或者在超導(dǎo)體的情況中，不會超過臨界電流的電流量。因此對于正常的 傳導(dǎo)線圈，重要的是具有低的電阻和高效的冷卻方案?；陉P(guān)于幾何結(jié)構(gòu)線圈尺寸的規(guī)范、 標(biāo)稱場強(qiáng)度和場均勻性的規(guī)范來執(zhí)行初始設(shè)計。依照對高度均勻橫向場的要求，線圈設(shè)計 可以基于雙螺旋線圈配置。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，線圈幾何結(jié)構(gòu)提供了傾斜的螺旋繞組式樣，其具 有更低的電阻、更高效的冷卻和更高的可實現(xiàn)的場強(qiáng)度的特征?？梢匀缦峦瓿蒁H線圈的設(shè) 計開始于利用式2或式3的空間彎曲限定工具路徑，具有給定直徑的銑刀沿該工具路徑 將完全穿通的槽G切割到具有管形形狀的傳導(dǎo)層中。在當(dāng)前示例中，層具有自支撐的鋁或 銅管的形式，但是可以是在管形結(jié)構(gòu)上提供的涂層。該管的內(nèi)徑等于表1中限定的所需的 線圈孔徑。經(jīng)加工的槽提供了所生成的螺旋繞組式樣的匝之間的空間，其還被稱為絕緣槽。 絕緣槽的寬度We是相鄰繞組匝之間的距離，由銑刀的切割寬度，例如長度或直徑給出。在以下示例中，銑刀具有如下形狀，該形狀具有特性切割直徑和相應(yīng)的切割半徑。一旦通過去 除導(dǎo)體材料形成了螺旋槽，則保持螺旋導(dǎo)體式樣。僅將螺旋槽切割到導(dǎo)體中不能導(dǎo)致足以創(chuàng)建磁線圈的導(dǎo)體路徑。如圖12的擴(kuò)張 口形的線圈式樣的示意圖中所示，需要標(biāo)為“線輸入a”、“線輸入b”、“線輸出a”和“線輸出 b”的另外的加工的槽以形成導(dǎo)入和導(dǎo)出連接器并且完成連續(xù)電流路徑，該電流路徑形成了 針對繞組的電流入口和出口端子。圖20A的擴(kuò)張口形的視圖中示出的虛線對表示銑刀加工路徑MP的外緣，以及在去 除傳導(dǎo)材料之后得到的絕緣空隙。圖20A中指示的剩余的傳導(dǎo)材料帶S形成了所得到的螺 旋形導(dǎo)體路徑。當(dāng)前路徑MP可以通過諸如蝕刻的其他方法形成。為了執(zhí)行場計算和估計傳導(dǎo)帶的電阻，提供帶S的數(shù)學(xué)描述。帶可以具有相對大 的寬度Ws，導(dǎo)致具有相對高的寬度_厚度比的條狀形狀，或者具有低的寬度_厚度比的近 似矩形的形狀。如所示出的，帶可以是橢圓形的開放環(huán)路或者可以是更復(fù)雜的調(diào)制，并且通 常，帶寬度可以根據(jù)方位角度9而變化。由于帶S的橫截面的近似矩形的形狀，使用適用于具有圓形橫截面的導(dǎo)體的近似 不足以計算所得到的磁場。代替計算所得到的磁場，例如利用位于帶中心的單個無限細(xì)的 絲，提供了更加完整的設(shè)計方法，用于對帶式樣建模和修改。該方法并入了最優(yōu)化程序以實 現(xiàn)關(guān)于場均勻性、線圈電阻和其他感興趣參數(shù)的所期望的性能標(biāo)準(zhǔn)。圖21示出了，對應(yīng)于所示出的線圈排CR中的開放的橢圓形環(huán)路的每個帶可以由4 個彎曲Q、C2、C3、C4描述，每個彎曲在空間上沿帶S的一個角安置。即，假設(shè)帶具有極大的 厚度，則兩個彎曲Ci、C2位于具有半徑Rin的內(nèi)圓柱上并且兩個彎曲C3、C4位于具有半徑R。ut 的外圓柱上。Rin和R-限定了傳導(dǎo)層的內(nèi)徑和外徑。在該示例中，Rin對應(yīng)于孔半徑R。參 見圖21，其提供了管橫截面的部分視圖，示出了兩個相鄰的槽空間&，剩余的帶S位于槽空 間之間。根據(jù)用于對磁場建模的一個方法，通過將切割到傳導(dǎo)圓柱中的螺旋線的槽G細(xì)分 為單獨的橢圓形的槽匝，對于給定示例，每個匝具有標(biāo)為Turn-1至Turn-k的中心路徑，可 以確定四個彎曲C” C2、C3、C4的幾何結(jié)構(gòu)。禾U用式2或式3可以獲得沿關(guān)于這些彎曲中的 每個彎曲的路徑的中心線的空間彎曲。假設(shè)銑刀提供了直徑為DrautCT，相應(yīng)的半徑為RMUtCT 的圓形的切割形狀，則帶角彎曲被限定如下帶-1左緣Turn-1 +Rrouter右緣Turn-2-Rr。uter帶-2左緣Turn-1 +Rrouter右緣Turn-2-Rr。uter...帶-n左緣Turn_k+Rr。uter右緣Turn-k+l-Rr。uter重要的是，應(yīng)當(dāng)注意，并非通過沿銑刀彎曲的X軸提供恒定的正的或負(fù)的 l/2ffG( = Rrouter)來確定傳導(dǎo)帶的角彎曲Q-C；。以下程序概述了用于計算每個角彎曲空間 路徑上的點的過程。應(yīng)當(dāng)注意，對于導(dǎo)體帶S中的其他或另外的彎曲，可以通過相似的程序 來計算空間路徑，以使模型的準(zhǔn)確性變化。如現(xiàn)正描述的，可以確定點相對于沿工具路徑彎曲(式2或式3)的中心的單獨的點的移位，以提供角彎曲路徑。通過從式2或式3獲得的如下導(dǎo)數(shù)以及假設(shè)偶極場，可以給出擴(kuò)張口形的視圖中 的沿工具路徑彎曲的任何點處的斜率角度式 7 其中u = R 0從式7可獲得作為u或0的函數(shù)的斜率角度a。式8 對于沿工具路徑彎曲的任何點，銑刀半徑為RMUtCT，所得到的X方向上的移位被給 出如下式9 線圈的場計算基于限定傳導(dǎo)帶的四個角彎曲(「(；。通過沿工具路徑彎曲的接近 隔開的點來近似工具路徑。隨后使這些點中的每個點向右或向左移位士 Ax(e)以獲得帶 角彎曲上的相應(yīng)點。對磁場應(yīng)用重疊原則，隨后使用Biot-Savart規(guī)律以計算由四個角帶 彎曲導(dǎo)致的場。DH線圈中的傳導(dǎo)帶的唯一幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了不能通過傳統(tǒng)線圈幾何結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的線 圈的整體電阻。由于DH線圈還提供了導(dǎo)體的高效的冷卻，因此正常的傳導(dǎo)DH線圈可以實 現(xiàn)對于傳統(tǒng)線圈繞組而言是不可能的場。通過原位“加工”來限定導(dǎo)體，對于傳統(tǒng)繞組技術(shù)而言是不可能的導(dǎo)體材料的使用 變得可行。特別地，可以應(yīng)用脆弱的高溫超導(dǎo)體以提供具有空前性能的線圈。圖22中示出了基于雙螺旋技術(shù)的示例性線圈設(shè)計，其示出了由兩個同心圓柱組 成的線圈。在兩個端部處，經(jīng)加工的槽偏離線圈排式樣，不間斷地在軸向方向上朝向鋁圓柱 的端部延續(xù)。參見圖20的“線輸入-b”或“線輸出-a”。此外，如圖20中描述的，隨后在每 個端部處對另外的槽段“線輸入_a”、“線輸出_b”進(jìn)行加工以完成式樣。這些另外的槽段 “線輸入_a”、“線輸出_b”均與槽段“線輸入_b”或“線輸出_a”中的一個從鋁圓柱的端部 并排行進(jìn)，直至它們滿足線圈式樣。段“線輸入_a，線輸入_b”和“線輸出_a，線輸出_b”的 組合完成了導(dǎo)入連接器(用于將電流帶入線圈排)和導(dǎo)出連接器(用于將電流從線圈排取 出到例如，在同心安置的圓柱中已加工的另一線圈排)的形成。對于許多應(yīng)用，對于DH線圈而言若干同心圓柱是必需的，用以生成所需的場配 置。圖22的示例示出了兩個同心圓柱，但是管的數(shù)目不受限制并且因此可以形成具有不 同直徑但是具有相同曲率半徑的同心管。該圖示出了與兩個圓柱相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)入和導(dǎo)出連接 器，其被配置為，這些連接器可以耦合在一起。為了從同心管(平直的或彎曲的)中的兩個 或更多個線圈排形成連續(xù)的繞組式樣，使從線圈式樣延伸出來的導(dǎo)入和導(dǎo)出連接器互連。 例如，可以在一個端部處將小的傳導(dǎo)件(例如，傳導(dǎo)隔層)焊接在兩個圓柱的引導(dǎo)連接器之間以實現(xiàn)如圖22中示出的電流連接。隨后管對的另一端部處的兩個連接器形成關(guān)于雙層 線圈的輸入和輸入引線。如注意到的，圖15A-15C中示出的過程可應(yīng)用于多種線圈排設(shè)計，包括并入直接 螺旋設(shè)計的實施例。對于諸如圖13中示出的制造過程，加工過程可以使制造誤差最小并且 進(jìn)一步地，可以通過測量制造期間的多場分量并且在隨后的線圈排中并入抵消調(diào)制來抵消 由制造容限導(dǎo)致的校正。然而，在線圈排設(shè)計的意義上，該直接螺旋設(shè)計包括系統(tǒng)的、非隨 機(jī)的誤差，向外側(cè)線圈應(yīng)用校正的過程能夠抵消內(nèi)側(cè)線圈排生成的非期望的多場分量。盡管描述了示例性的直接螺旋實施例，但是許多其他設(shè)計和制造方法也在考慮范 圍內(nèi)。例如，其中形成螺旋槽的前述圓柱可以具有外絕緣表面(諸如陽極氧化物、沉積涂層 或其他材料)，傳導(dǎo)層駐留于其之下。可以在形成具有適當(dāng)形狀的槽之前或之后形成絕緣表圖23示出了沿中心軸302形成的磁體組件300，其包括根據(jù)本發(fā)明的互連的線圈 組件的示例性組合。在該示例中，設(shè)計多個平直部分(320、355、370和400)以提供主場四 極分量，并且多個曲線段(330、340、380和390)被配置為提供偶極主場以根據(jù)各個段的形 狀使荷電粒子束彎曲。所示出的曲線段可以是組合功能磁體，其中偶極場疊加在主偶極場 上。端部段線圈組件310包括擴(kuò)張口形孔區(qū)域312，其與在相同線圈排中一體形成的平直部 分320組合。組件300連接到具有彎曲形狀的部分330。部分330連接到也具有彎曲形狀 的部分340。部分350包括安置在兩個鄰接的平直部分335和370之間的中心擴(kuò)張口形部 分360。部分350被置于也具有彎曲形狀的部分340和部分380之間。具有彎曲形狀的另 一部分390被置于部分380和平直端部部分400之間。部分400具有恒定直徑的孔區(qū)域并 且已根據(jù)圖19的最優(yōu)化過程而被設(shè)計。在許多實施例中，平直部分可以被設(shè)計為生成四極 場(用于聚焦)或者更高序場(用于束光學(xué)校正)，并且具有彎曲形狀的部分可以生成單獨 的或者與更高序場組合的純的偶極場。單獨的部分可以包括單螺旋或雙螺旋線圈排。通過在單獨的線圈排中生成多個調(diào)制分量或者通過例如彼此同心地形成一系列 線圈排，每個線圈排生成不同序的主場分量，可以提供組合功能能力。平直部分，例如355、 370可以交替地是具有可變橫截面的漂移區(qū)域。擴(kuò)張口形部分360基本上是形成氣球狀剖 面的端對端安置的兩個擴(kuò)張口形區(qū)域48的幾何結(jié)構(gòu)，適用于提供例如，高質(zhì)量聚焦場。艮口， 如針對擴(kuò)張口形區(qū)域48描述的，距中心軸302給定距離R處的擴(kuò)張口形區(qū)域部分360中的 場質(zhì)量較之具有較小孔直徑(例如，50%)的平直部分是相對高的(例如，純的四極)?？?替選地，任何平直或擴(kuò)張口形區(qū)域部分可以是漂移區(qū)域(其中未生成場)。構(gòu)造關(guān)于磁體組件的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)時的另一考慮是對聚焦荷電粒子束的持續(xù)需 要。典型地這是如下方式來實現(xiàn)的，將生成用于聚焦束的四極場的平直部分與諸如適用于 彎曲的偶極場的其他功能組裝。本發(fā)明的特征在于將這些功能集成，以前需要將用于聚焦 的多個部分與用于束彎曲的部分組合。傳統(tǒng)的四極磁體具有在磁體的整個長度上指向一個 方向的場向量，從而在將四極場應(yīng)用于聚焦沿水平方向的束時，同時使垂直方向上的束解 除聚焦。相似地，當(dāng)四極場聚焦沿垂直方向的束時，同時使水平方向中的束解除聚焦。因此， 對于其中需要所有方向上的凈聚焦的束光學(xué)應(yīng)用，有必要使用傳統(tǒng)的四極磁體對來實現(xiàn)所 有方向上的凈聚焦。本發(fā)明的另一特征是構(gòu)造能夠生成單獨的或者與其他多極序組合的在所有方向
55上聚焦的四極場。使用此處描述的雙螺旋或單螺旋概念，可以構(gòu)造例如，按照沿軸的位置的 函數(shù)，使四極場圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)的線圈設(shè)計。結(jié)果，在磁體軸的長度上，磁體在所有方向上 聚焦。這可以通過如式10描述的，圍繞在X方向上延伸的中心線圈軸來“扭轉(zhuǎn)”平直四極 線圈而實現(xiàn)。式10 Y( 0 ) = R cos( e)Z( e) = R sin( e)在該上下文中下，“扭轉(zhuǎn)”是指執(zhí)行描述線圈中的導(dǎo)體路徑的點的變換，使Y-Z平面 中的式樣的每個點旋轉(zhuǎn)角度Otwist，該角度與距原點X = 0的距離1。該變換由下式給出。cDtwist = X*A 小A 是X每前進(jìn)1毫米所扭轉(zhuǎn)的角度，以度為單位。X，= X旋轉(zhuǎn)角度Otwist由X'和Y'給出r = Y*cos(Otwist)+Z*sin(Otwist)并且V = -Y*sin(Otwist)+Z*cos(Otwist)例如，如果繞組式樣具有360mm的總長度并且總的所需扭轉(zhuǎn)是360度，則所需的每 毫米扭轉(zhuǎn)角度A 是1度。所得到的繞組式樣生成了四極場，其場向量沿磁體軸連續(xù)改變方向。該場將同時 在所有方向上聚焦束。還考慮了非線性功能。即，每毫米扭轉(zhuǎn)角度可以根據(jù)角度或者沿軸 的位置而變化。在執(zhí)行束形狀的校正或修改時，該非均勻的扭轉(zhuǎn)率是有利的。盡管參照特定實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在不偏離本 發(fā)明的范圍的前提下，可以進(jìn)行多種變更以及可以使用等同物替換其元件。例如，盡管線 圈已被示出為圍繞平直軸或彎曲軸對稱，但是許多所公開的特征可以有利地應(yīng)用于其他應(yīng) 用，諸如其中軸通常是非對稱的。本發(fā)明范圍僅由所附權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
一種導(dǎo)體組件，該類型的導(dǎo)體組件在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述導(dǎo)體組件包括管形的第一層，所述第一層圍繞軸形成，所述軸包括彎曲部分，可沿所述彎曲部分安置導(dǎo)體以限定第一導(dǎo)體路徑，所述第一層包括彎曲部分，所述第一層的彎曲部分具有包括沿所述軸的彎曲部分延伸的彎曲的形狀；以及第一導(dǎo)體，所述第一導(dǎo)體圍繞所述第一層的所述彎曲部分以第一螺旋配置布置，所述配置包括螺旋形的并且圍繞所述軸的彎曲部分形成的彎曲段，所述配置圍繞所述層中的彎曲的孔區(qū)域安置并且能夠承受具有沿所述軸的橫向取向的多極分量的磁場。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，包括圍繞所述孔區(qū)域安置的多個另外的層，其中，所述第 一導(dǎo)體的第一部分圍繞所述第一層布置以形成所述第一螺旋配置，以及，所述第一導(dǎo)體的 第二部分形成圍繞所述各層中的第二個層的第二螺旋配置，所述第二螺旋配置包括螺旋形 且圍繞所述軸的彎曲部分形成的第二彎曲段，所述第二螺旋配置在沿所述軸的彎曲部分的 方向上沿所述第一層延伸。
3.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述軸包括過渡到所述彎曲軸部分的平直部分； 所述第一層包括圍繞所述平直軸部分的平直部分；以及所述第一導(dǎo)體包括沿所述平直和彎曲軸部分的調(diào)制，具有根據(jù)下式沿所述第一層的平 直部分的至少一部分的調(diào)制x( 0 ) = [h/(2*Ji)] 6 + E An sin(n 0 + 小n)Y(e ) = Rcos( e) z( e) = Rsin( e)。
4.如權(quán)利要求3所述的組件，其中n= 1。
5.如權(quán)利要求3所述的組件，其中，X ( 0 ) = [h/ (2* !) ] 0 sin ( 9 + 小工)+A2 sin (2 9 + 小 2)。
6.如權(quán)利要求3所述的組件，其中，X(e)不是單調(diào)上升函數(shù)。
7.如權(quán)利要求3所述的組件，其中，當(dāng)傳導(dǎo)電流時，所述第一導(dǎo)體沿所述彎曲軸部分的 調(diào)制適用于生成具有多個多極序的磁場。
8.如權(quán)利要求1所述的組件，其中 所述層包括第一和第二平直部分；以及所述平直和彎曲層部分沿所述軸順序安置，所述彎曲部分位于兩個所述平直部分之間。
9.如權(quán)利要求1所述的組件，其中，對于沿所述軸的一段的多個點中的每個點，通過該 點并且沿一切向量的橫向的平面截取的所述孔區(qū)域的橫截面具有圓形形狀，所述切向量通 過該點并且沿所述軸在該點的方向。
10.如權(quán)利要求1所述的組件，其中，在沿所述彎曲軸部分的任何點處，在經(jīng)該點并且 沿所述軸的切向的橫向截取的所述孔區(qū)域的橫截面是圓形的。
11.如權(quán)利要求1所述的組件，包括圍繞所述孔區(qū)域安置的多個另外的層，其中所述導(dǎo) 體的第一部分圍繞所述第一層布置以形成所述第一螺旋配置，以及，所述導(dǎo)體的第二部分 形成圍繞所述各層中的第二層的第二螺旋配置，所述第二螺旋配置還包括在沿所述軸的彎曲部分的方向上延伸的彎曲段。
12.如權(quán)利要求2所述的組件，其中所述彎曲孔區(qū)域從所述軸的彎曲部分向外延伸一徑向距離到達(dá)所述第一層彎曲部分；沿層彎曲部分安置的每個螺旋配置的部分能夠在所述彎曲孔區(qū)域中生成磁場，所述磁 場沿著一平面，該平面通過沿所述第一螺旋配置的彎曲段的點；以及沿平行于所述平面的方向的所述場包括序A的第一主分量和一個或更多個第二分量， 每個第二分量具有不同于A的序，其中，在所述徑向距離的80%處，所述一個或更多個第二 分量中的每個第二分量沿所述平面的場貢獻(xiàn)在量值上至少低于具有序A的所述第一主分 量的量值的103分之一。
13.如權(quán)利要求12所述的組件，其中，在所述徑向距離的80%處，所述一個或更多個第 二分量中的每個第二分量沿所述平面的場貢獻(xiàn)在量值上至少低于具有序A的所述第一主 分量的量值的104分之一。
14.如權(quán)利要求12所述的組件，其中，在所述徑向距離的80%處，所述一個或更多個第 二分量中的每個第二分量沿所述平面的場貢獻(xiàn)在量值上至少低于具有序A的所述第一主 分量的量值的105分之一。
15.如權(quán)利要求12所述的組件，其中，具有序A的所述第一主分量是偶極場。
16.如權(quán)利要求12所述的組件，其中，一個所述第二分量取自由四極矩和六極矩組成 的組。
17.如權(quán)利要求12所述的組件，其中，所述場包括至少兩個具有不同序的第二分量，從 而所述組件可以作為組合功能磁體來操作。
18.如權(quán)利要求12所述的組件，其中，具有序A的第一主分量的貢獻(xiàn)和來自一個或更多 個所述第二分量的貢獻(xiàn)之間的比較可以通過數(shù)值建模而確定。
19.如權(quán)利要求1所述的組件，其中，所述孔區(qū)域的從所述軸的彎曲部分延伸的部分中 的導(dǎo)體配置能夠在所述彎曲孔區(qū)域中主要生成偶極場，其中，對于操作條件集合，在所述彎 曲孔區(qū)域中在沿所述軸的橫向的平面中的圓的各點處，在此處可以確定所述偶極場分量和 六極場分量，所述六極場分量小于所述偶極場分量的量值的10_4。
20.如權(quán)利要求19所述的組件，其中，圓距所述軸的徑向距離是所述孔區(qū)域的至少 80%。
21.如權(quán)利要求3所述的組件，其中，X(e)是周期函數(shù)。
22.如權(quán)利要求14所述的組件，其中，所述一個或更多個第二分量中的每個第二分量 在量值上至少低于具有序A的所述第一主分量的量值的106分之一。
23.一種導(dǎo)體組件，包括圍繞曲線軸安置的磁線圈，所述組件屬于如下類型在傳導(dǎo)電 流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述線圈包括圍繞管形區(qū)域形成的 一個或更多個線圈排，所述管形區(qū)域圍繞所述軸安置，每個線圈排包括采取螺旋狀配置的 傳導(dǎo)材料，當(dāng)電流流經(jīng)傳導(dǎo)材料時所述配置能夠在所述區(qū)域中生成場，其中螺旋狀配置包括形成圍繞所述軸的第一連續(xù)系列環(huán)路的一部分連續(xù)導(dǎo)體；所述軸的第一段以及繞其形成的所述傳導(dǎo)材料各具有弧形，沿孔區(qū)域周圍的第一軸段 的所述環(huán)路與沿所述第一軸段的點隔開至少距離R ；以及當(dāng)在沿所述第一軸段的橫向的并穿過所述第一軸段的平面的方向的電流傳導(dǎo)條件下 生成磁場時，距所述第一軸段0. 8R并且沿所述平面的所述場的特征由以下項描述 具有第一量值的偶極分量； 具有第二量值的四極分量； 具有第三量值的六極分量；以及 具有第四量值的十極分量，其中 所述第三和第四量值各為所述第一量值的10_4或更小。
24.如權(quán)利要求23所述的組件，其中，所述第三和第四量值各小于所述第一量值的1(T5。
25.如權(quán)利要求23所述的組件，其中，所述第三和第四量值各小于所述第一量值的1(T6。
26.如權(quán)利要求23所述的組件，其中，在存在鐵飽和效應(yīng)或疊加誤差場的情況下，所述 第三和第四量值各小于所述第一量值的10_6。
27.一種導(dǎo)體組件，該類型的導(dǎo)體組件在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的 情況中感生電壓，所述導(dǎo)體組件包括螺旋配線式樣，沿軸安置并且距該軸的徑向距離為R，所述配線式樣圍繞從所述軸朝所 述配線式樣延伸的孔區(qū)域形成，沿軸的一部分所述距離R變化。
28.如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)體組件，其中，沿距離R變化的所述軸的一部分，所述孔從 所述軸部分延伸可變的距離
29.如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)體組件，其中，當(dāng)所述孔延伸可變的距離時，所述配線式樣 包括沿所述軸的方向?qū)ΨQ延伸的曲面輪廓。
30.如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)體組件，包括第一和第二相對端部以及所述端部之間的中 心區(qū)域，其中，距離R沿其變化的所述軸的一部分從一個端部向另一端部延伸。
31.如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)體組件，包括第一和第二相對端部以及所述端部之間的中 心區(qū)域，其中，距離R沿其變化的所述軸的一部分從一個端部向所述中心區(qū)域延伸。
32.如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)體組件，包括第一和第二相對端部以及所述端部之間的中 心區(qū)域，其中，所述配線式樣包括兩個擴(kuò)張口形端部區(qū)域，每個擴(kuò)張口形端部區(qū)域延伸到所 述相對端部中的不同一個。
33.如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)體組件，包括第二螺旋配線式樣，其中所述兩個配線式樣具有相對于所述軸的相反的傾斜角度，對應(yīng)于雙螺旋設(shè)計， 所述組件包括第一和第二相對端部，以及沿所述端部中的一個端部，所述兩個配線式樣都包括擴(kuò)張口形端部區(qū)域。
34.如權(quán)利要求27所述的導(dǎo)體組件，其中，所述軸是平直軸。
35.如權(quán)利要求34所述的導(dǎo)體組件，其中，當(dāng)所述孔延伸可變的距離時，所述配線式樣 包括沿所述軸的方向?qū)ΨQ延伸的曲面輪廓。
36.如權(quán)利要求35所述的導(dǎo)體組件，其中，所述曲面輪廓是沿所述軸的擴(kuò)張口形區(qū)域。
37.如權(quán)利要求35所述的導(dǎo)體組件，包括第一和第二相對端部以及中心區(qū)域，其中，所 述配線式樣包括沿所述中心區(qū)域并且位于所述端部之間的擴(kuò)張口形部分，所述擴(kuò)張口形部 分具有可變的半徑并且在具有恒定線圈排半徑的部分之間形成。
38.一種導(dǎo)體組件，該類型的導(dǎo)體組件在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的 情況中感生電壓，所述導(dǎo)體組件包括螺旋配線式樣，其沿軸安置并且圍繞孔區(qū)域形成，所述孔區(qū)域從所述軸向所述配線式 樣延伸徑向距離R，所述孔區(qū)域包括具有距所述軸的可變距離R的擴(kuò)張口形部分。
39.如權(quán)利要求38所述的導(dǎo)體組件，其中，所述擴(kuò)張口形部分在第一和第二孔部分之 間形成，每個孔部分具有與距所述軸的恒定距離R相對應(yīng)的恒定半徑。
40.如權(quán)利要求38所述的導(dǎo)體組件，其中，所述配線式樣包括第一和第二相對端部以 及所述端部之間的中心區(qū)域，所述孔區(qū)域沿所述中心區(qū)域具有距所述軸的固定徑向距離R， 其中，所述擴(kuò)張口形部分沿所述軸從一個端部延伸到所述中心區(qū)域。
41.如權(quán)利要求40所述的導(dǎo)體組件，其中，所述擴(kuò)張口形孔部分距所述軸的徑向距離R 沿所述中心區(qū)域向所述一個端部從所述固定徑向距離單調(diào)上升。
42.如權(quán)利要求38所述的導(dǎo)體組件，其中所述配線式樣包括多個線圈排，所述多個線圈排被配置為生成所述組件的第一和第二 端部之間的具有序n的主多極場；所述孔區(qū)域包括沿所述軸的具有距所述軸的固定徑向距離氏的第一部分，并且，所述 擴(kuò)張口形部分的距所述軸的徑向距離增大到距離R2 ；以及作為將所述徑向距離增大到R2的結(jié)果，相對于其中R保持距所述軸的固定徑向距離隊 而非增大到R2的幾何結(jié)構(gòu)的相同孔部分上的可計算的場質(zhì)量，改進(jìn)了沿其中R增大的所述 孔區(qū)域部分的場質(zhì)量。
43.如權(quán)利要求42所述的導(dǎo)體組件，其中，所述主多極場是偶極場，以及，基于可以沿 相對于所述軸橫向的平面中的圓測量的六極場分量的相對量值，確定所述場質(zhì)量，所述圓 具有距所述軸延伸0. 8R:的半徑。
44.如權(quán)利要求42所述的導(dǎo)體組件，其中，根據(jù)傾斜雙螺旋配置構(gòu)造所述多個線圈排。
45.一種用于制造導(dǎo)體組件的方法，所述導(dǎo)體組件包括圍繞軸的多個線圈排，其中，外 側(cè)線圈排圍繞內(nèi)側(cè)線圈排形成，所述組件屬于這樣的類型在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在 存在變化磁場的情況中感生電壓，所述方法包括形成一個或更多個第一線圈排；確定相對于與所形成的一個或更多個第一線圈排相關(guān)聯(lián)的規(guī)范的一個或更多個偏差， 所述一個或更多個偏差各與偏離場規(guī)范的多極場分量的量值相對應(yīng)；基于所述一個或更多個偏差，針對圍繞所述一個或更多個第一線圈排形成的一個或更 多個第二線圈排，生成一個或更多個配線式樣，從而抵消偏離所述場規(guī)范的每個多極場分 量的量值；以及在所述組件中形成所述一個或更多個第二線圈排。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其中，通過計算在生成主場分量時的所述一個或更多 個第一線圈排的多極成分，確定所述一個或更多個偏差，所述方法包括生成用于指定所述 一個或更多個第二線圈排中的式樣的目標(biāo)函數(shù)，所述目標(biāo)函數(shù)用于按比例調(diào)整一個或更多 個因子的量值，所述一個或更多個因子用于生成所述一個或更多個第二線圈排中的調(diào)制分 量，所述調(diào)制分量用于抵消偏離所述場規(guī)范的每個多極場分量的量值。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其中，所述因子是與用于抵消多極場分量量值的每個調(diào)制分量相關(guān)聯(lián)的相對幅度和相位分量。
48.如權(quán)利要求45所述的方法，其中，在生成關(guān)于所述一個或更多個第二線圈排的所 述一個或更多個配線式樣之后，由所述一個或更多個第二線圈排來生成場以補(bǔ)償所述一個 或更多個第一線圈排中的制造誤差。
49.如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述組件包括從所述軸延伸距離R的孔區(qū)域；在操作期間，完成的組件生成主場分量以及至少一個多極分量，對此相對所述規(guī)范之 一的偏差已被抵消；以及沿所述軸的橫向的平面中的具有距所述軸至少0. 8R的半徑的圓，所述至少一個多極 場分量的量值至少低于所述主場分量的量值的10_4。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其中，所述圓具有小于R的半徑。
51.如權(quán)利要求49所述的方法，其中，沿所述圓，所述至少一個多極場分量具有至少低 于所述主場分量的量值的10_5的量值。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，其中，所述具有小于R的半徑。
53.如權(quán)利要求45所述的方法，其中確定相對于所述規(guī)范的多個偏差；以及在所述一個或更多個配線式樣中包括多個調(diào)制，從而抵消偏離所述場規(guī)范的每個多極 場分量的量值。
54.一種用于制造完成的導(dǎo)體組件的方法，所述導(dǎo)體組件具有如下類型在傳導(dǎo)電流 時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述方法包括在一個或多個完全形成的線圈排中測量相對于多極場規(guī)范的多極序偏差；以及在上面的線圈排的制造期間引入抵消校正，以減少所述完成的組件中的相對于所述多 極場規(guī)范的偏差。
55.如權(quán)利要求54所述的方法，其中，所述偏差基于確定所述多極場分量的量值。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其中，通過測量沿通過所述線圈排的平面中的圓的場 強(qiáng)度并且執(zhí)行感生電壓的傅立葉分析以計算所述場的多極成分，來確定所述量值。
57.如權(quán)利要求54所述的方法，其中，在減小所述偏差之后，所述關(guān)聯(lián)的多極序小于主 場分量的量值的10_4。
58.如權(quán)利要求54所述的方法，其中，所述偏差可歸因于制造誤差。
59.如權(quán)利要求54所述的方法，其中，所述偏差可歸因于導(dǎo)體的實際放置。
60.如權(quán)利要求54所述的方法，其中相對于主磁場可確定所述多極序與所述多極場規(guī)范的所述偏差，所述組件包括從所述軸延伸距離R的孔區(qū)域；在操作期間，所述完成的組件生成所述主場分量以及至少一個對應(yīng)于所述多極序的多 極分量；以及沿所述軸的橫向的平面中的具有距所述軸至少0. 8R的半徑的圓，所述至少一個多極 場分量具有至少低于所述主場分量的量值的10_4的量值。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其中，所述圓具有小于R的半徑。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，其中，沿所述圓，所述至少一個多極場分量具有至少低于所述主場分量的量值的10_5的量值。
63.如權(quán)利要求62所述的方法，其中，所述圓具有小于R的半徑。
64.一種抑制了導(dǎo)體組件中的不需要的多極場序的生成制造方法，所述導(dǎo)體組件包括 圍繞軸的多個線圈排，其中，外側(cè)線圈排圍繞內(nèi)側(cè)線圈排生成，以及，所述線圈排中的內(nèi)側(cè) 線圈排和外側(cè)線圈排包括圍繞軸形成為螺旋式樣的導(dǎo)體，所述方法包括在形成一個或更多個第一內(nèi)側(cè)線圈排之后，形成一個或更多個外側(cè)線圈排，其中，形成 一個或更多個外側(cè)線圈排的過程包括將調(diào)制引入到所述一個或更多個外側(cè)線圈排中，以減 小與主場分量相關(guān)的一個或更多個多極場分量的量值。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其中，在確定所述一個或更多個內(nèi)側(cè)線圈排的相對于 多極場規(guī)范的一個或更多個偏差之后，執(zhí)行所述引入的步驟。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，其中，通過執(zhí)行場測量來確定與偏離場規(guī)范的多極場 分量的量值相對應(yīng)的偏差。
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67.如權(quán)利要求66所述的方法，其中，所述引入的調(diào)制使得能夠生成減少所述偏差的 抵消多場分量。
68.如權(quán)利要求64所述的方法，其中，所述結(jié)構(gòu)包括沿表面的導(dǎo)體材料，并且溝道延伸 通過所述導(dǎo)體材料以去除一些導(dǎo)體材料，從而一部分剩余的結(jié)構(gòu)是具有圍繞所述軸并沿所 述軸延伸的螺旋形狀的導(dǎo)體段。
69.一種根據(jù)規(guī)范制造沿曲線軸的導(dǎo)體組件的方法，所述組件具有如下類型在傳導(dǎo) 電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述方法包括對于可以沿平直軸形成的線圈，指定沿所述平直軸的橫向的第一平面的第一磁場式 樣，所述場式樣包括所述第一平面中的第一序的主磁場分量；指定圍繞所述平直軸的第一配線式樣，用于生成所述第一磁場式樣，所述第一配線式 樣可由圍繞所述平直軸的第一系列點表示；根據(jù)所述曲線軸規(guī)范圍繞曲線軸生成第二系列點以提供源自所述第一系列點的第二 配線式樣；可以根據(jù)所述第二配線式樣生成的磁場的特征在于，位于所述曲線軸的橫向的平面 中，所述第二配線式樣圍繞所述曲線軸形成；在所述曲線軸的橫向的平面中，識別不同于所述第一序的主磁場分量的第二序的至少 第一量值磁場分量的存在；部分基于所述第一系列點沿平直軸生成第三系列點，以及，并入導(dǎo)致第三配線式樣的 第一調(diào)制，從而使在所述軸的橫向的平面中，所述第三配線式樣圍繞所述軸形成，根據(jù)所述第三配線式 樣生成的磁場包括所述第二序的第二多極分量，如果所述第二序的第二多極分量被添加到 所述第二序的第一多極分量，則在所述第二配線式樣的所述曲線軸的橫向的平面中，將減 小所述曲線軸的橫向的平面中的所述第二序的分量的凈場強(qiáng)度；根據(jù)所述曲線軸規(guī)范圍繞軸生成第四系列點以提供源自所述第三系列點的第四配線 式樣；以及基于所述第四配線式樣制造根據(jù)所述曲線軸規(guī)范圍繞軸的線圈。
70.如權(quán)利要求69所述的方法，其中，對于根據(jù)第四配線式樣的線圈，在線圈軸的橫向的平面中，當(dāng)通過所述線圈生成磁場時，相對于針對特征化的第二配線式樣識別的所述第 二序的所述第一量值磁場分量，所述第二序的分量的場強(qiáng)度的量值減小。
71.如權(quán)利要求69所述的方法，其中，在操作期間，根據(jù)所述第四配線式樣的所述線圈 生成沿線圈軸的橫向的方向的所述第一序的第一量值主場分量和所述第二序的第二量值 場分量，其中所述第二量值不大于所述第一量值的10_3。
72.如權(quán)利要求71所述的方法，其中所述識別的步驟包括進(jìn)一步至少識別不同于所述第一序并且不同于所述第二序的第 三序的第一量值磁場分量的存在；所述第二序的第一量值磁場分量和所述第三序的第一量值磁場分量各具有高于相應(yīng) 的預(yù)定量值的可計算的場強(qiáng)度；根據(jù)所述第四配線式樣制造的線圈的特征在于，磁場包括對應(yīng)于所述第二序的第一量 值磁場分量的第一分量以及對應(yīng)于所述第三序的第一量值磁場分量的第二分量；以及根據(jù)包括如下的式樣生成線圈抵消所述第一分量的基于第一調(diào)制的例示的第二序調(diào)制，從而可以將所述第二序的磁 場的凈量值減小至或低于所述預(yù)定量值；以及抵消所述第二分量的例示的第三序調(diào)制，從而可以將所述第三序的磁場的凈量值減小 至或低于所述預(yù)定量值。
73.如權(quán)利要求72所述的方法，其中，所述例示的第二序調(diào)制完整地或部分地基于所 述第二序的第一量值磁場分量的相應(yīng)的可計算的場強(qiáng)度。
74.如權(quán)利要求72所述的方法，其中，所述例示的第三序調(diào)制完整地或部分地基于所 述第三序的第一量值磁場分量的可計算的場強(qiáng)度。
75.如權(quán)利要求72所述的方法，其中，所述線圈包括所述第一序的第一量值磁場分量 并且所述第三序的預(yù)定量值是所述第一序的第一量值磁場分量的10_3倍。
76.如權(quán)利要求72所述的方法，其中，在執(zhí)行所述引入關(guān)于所述第一和第二分量中的 每個分量的另外的調(diào)制的步驟之后，所述曲線軸的橫向的平面中的所述第二配線式樣的磁 場包括作為所述主場分量的偶極矩。
77.如權(quán)利要求72所述的方法，其中，在執(zhí)行所述引入關(guān)于所述第一和第二分量中的 每個分量的另外的調(diào)制的步驟之后，所述曲線軸的橫向的平面中的所述第二配線式樣的磁 場包括偶極矩、場強(qiáng)度至少低于所述偶極矩的場強(qiáng)度的10_4的四極矩以及至少低于所述偶 極矩的104分之一的六極矩。
78.—種制造包括磁線圈的導(dǎo)體組件的方法，所述磁線圈圍繞曲線軸安置，所述組件具 有如下類型在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述方法包 括根據(jù)沿與所述曲線軸的橫向的多個平面中的第一平面平行的方向的預(yù)先限定的場特 性，指定三維系統(tǒng)中的圍繞平直軸的第一配線路徑，所述場特性包括沿所述第一平面的主 場分量；執(zhí)行變換，所述變換將所述配線路徑映射到能夠生成圍繞所述平直軸的磁場的第二配 線路徑，所述第二配線路徑具有相對于所述預(yù)先限定的場特性的可確定的場特性；將一個或更多個調(diào)制引入所述第二配線路徑中，以減輕所述可確定的場特性和所述預(yù)先限定的場特性之間的差異；以及根據(jù)所述第二配線路徑制造所述線圈。
79.如權(quán)利要求78所述的方法，其中所述線圈包括具有多極序n和第一量值的主場分量，以及，所述引入一個或更多個調(diào) 制的步驟包括確定所述可確定的場特性中的具有兩個或更多個不同于n的序以及量值小 于所述第一量值的多極分量的存在；以及所述引入一個或更多個調(diào)制的步驟將所述線圈中的所述多極序減小至小于所述第一 量值的10_3倍。
80.如權(quán)利要求78所述的方法，其中，對于可確定的場量值的六極分量并且對于所述 主場分量的可確定的量值，所述六極分量的量值至少低于所述主場分量的量值的103分之o
81.如權(quán)利要求78所述的方法，其中，所述引入一個或更多個調(diào)制的步驟包括 對于具有序n的特定的多極，評估所述可確定的場特性和所述預(yù)先限定的場特性之間的第一差異；對于所述第一配線路徑，確定具有基于所述第一差異的值的具有序n的多極分量；以及將具有序n并且還具有基于所述第一差異的值的第一調(diào)制引入所述第二配線路徑中 以抵消所述第二配線路徑的所述可確定的場特性和所述預(yù)先限定的場特性之間的所述第一差異。
82.如權(quán)利要求81所述的方法，其中，所述確定具有序n的多極分量的步驟包括執(zhí)行關(guān) 于所述第一配線路徑的計算以確定所述第一調(diào)制。
83.如權(quán)利要求82所述的方法，進(jìn)一步包括基于所述第一配線路徑確定具有不同于n的序的多極分量，每個多極分量具有對減小 所述可確定的場特性和所述預(yù)先限定的場特性之間的差異有貢獻(xiàn)的值；以及將各具有不同于n的序的另外的調(diào)制引入所述第二配線路徑中，以及，基于所述值中 的一個或者其相鄰的值，抵消所述第二路徑的所述可確定的場特性和所述預(yù)先限定的場特 性之間的差異。
84.如權(quán)利要求78所述的方法，其中，所述引入一個或更多個調(diào)制的步驟包括確定目標(biāo)函數(shù)，其測量關(guān)于一個或更多個多極序的所述可確定的場特性和所述預(yù)先限 定的場特性集合之間的場差異，所述目標(biāo)函數(shù)具有對參數(shù)的依賴性，根據(jù)所述參數(shù)可以修 改所述第一或第二配線路徑。
85.如權(quán)利要求84所述的方法，其中，所述參數(shù)是具有2pi周期的周期函數(shù)。
86.如權(quán)利要求84所述的方法，進(jìn)一步包括利用目標(biāo)函數(shù)來執(zhí)行數(shù)值最優(yōu)化，使得按所述目標(biāo)函數(shù)接近絕對最小值的方式改變所 述參數(shù)。
87.如權(quán)利要求78所述的方法，進(jìn)一步包括，在引入所述一個或更多個調(diào)制之前，對于 沿所述曲線軸的橫向的所述多個平面中的一個面的所述第二路徑，執(zhí)行磁場特征化。
88.如權(quán)利要求78所述的方法，進(jìn)一步包括，通過識別大于所述主場分量的、各具有大 于主場分量的量值的10_6的量值一個或多個序，確定所述可確定的場特性和所述預(yù)先限定的場特性集合之間的差異。
89.一種用于制造包括沿軸的一個或更多個線圈排的導(dǎo)體組件的方法，所述組件具 有如下類型在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述方法包 括利用具有特性容限的過程，根據(jù)如下類型的幾何結(jié)構(gòu)形狀制造線圈排，對于所述類型， 通過在與所述線圈排相關(guān)聯(lián)的配線式樣中引入一個或更多個調(diào)制功能，可以實現(xiàn)由非期望 的多極場分量引起的系統(tǒng)誤差的減??；以及將與多極場分量相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)誤差減小至一定水平，使得所述組件的場質(zhì)量受限于所 述特性容限。
90.如權(quán)利要求89所述的方法，其中，所述特性容限主要是隨機(jī)誤差的函數(shù)。
91.如權(quán)利要求89所述的方法，其中，所述特性容限具有關(guān)聯(lián)誤差，所述關(guān)聯(lián)誤差對場 質(zhì)量的影響大于對由于非期望的多極場分量引起的所述系統(tǒng)誤差的影響，以及，基于沿橫 向通過所述軸延伸的平面中的圓的場量值的測量以及沿所述圓的不同序的多場分量的量 值的確定和比較來確定所述場質(zhì)量。
92.如權(quán)利要求89所述的方法，其中可以基于沿橫向通過所述軸延伸的平面中的圓的 場量值的測量以及沿所述圓的不同序的多場分量的量值的確定和比較來確定所述場質(zhì)量。
93.如權(quán)利要求89所述的方法，其中，結(jié)合具有被配置為圍繞所述軸的螺旋式樣的導(dǎo) 體的一個或更多個線圈排的形成，以及根據(jù)包括抵消非期望的多極場的量值的分量的調(diào)制 功能，實現(xiàn)所述抑制系統(tǒng)誤差的步驟。
94.如權(quán)利要求89所述的方法，其中所述形成的步驟包括，形成沿曲線對稱軸并且圍繞曲線對稱軸的一個或更多個線圈 排，所述線圈排內(nèi)部的孔區(qū)域從所述軸向最內(nèi)側(cè)的線圈排延伸距離R，其中，每個線圈排包 括一對相對的第一和第二端部，所述第一排端部沿所述組件的第一端部安置，而所述第二 排端部沿所述組件的第二端部安置；在所述軸的橫向的平面中并且距所述第一線圈端部至少6R，在距所述軸0. 8R的距離 處由所述組件生成的磁場被表征為主場偶極分量和具有比所述偶極分量的量值的10_3小 的量值的四極分量。
95.如權(quán)利要求89所述的方法，其中所述形成的步驟包括，彼此疊置地形成線圈排，所述線圈排內(nèi)部的孔區(qū)域從所述軸向 最內(nèi)側(cè)的線圈排延伸距離R，每個排具有一對相對的第一和第二端部，所述第一排端部沿所 述組件的第一端部安置，而所述第二排端部沿所述組件的第二端部安置；在相對于所述軸橫向的平面中并且小于距所述第一線圈端部的6R的距離內(nèi)生成的磁 場被表征為主場多極分量和具有比所述主場分量的量值的10_2小的量值的六極分量。
96.如權(quán)利要求95所述的方法，其中，所述主場分量是四極分量。
97.如權(quán)利要求95所述的方法，其中，所述六極分量具有比所述主場分量的量值的10_3 小的量值。
98.如權(quán)利要求95所述的方法，其中，所述六極分量具有比所述主場分量的量值的10_4 小的量值。
99.如權(quán)利要求95所述的方法，其中，所述六極分量具有比所述主場分量的量值的10_5小的量值。
100.如權(quán)利要求89所述的方法，其中，所述執(zhí)行的步驟包括，通過在第一線圈排的上 面形成第二線圈排之前確定所述第一線圈排的場質(zhì)量，彼此疊置地形成線圈排，以及所述抑制系統(tǒng)誤差的步驟包括，利用被配置為圍繞所述軸的螺旋式樣的導(dǎo)體并且根據(jù) 包括抵消非期望的多極場的量值的分量的調(diào)制功能，形成所述第二線圈排。
101.一種用于制造包括沿軸的一個或更多個線圈排的導(dǎo)體組件的方法，所述組件具 有如下類型在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述方法包 括根據(jù)一定類型的幾何結(jié)構(gòu)形狀制造線圈排，對于所述類型的幾何結(jié)構(gòu)形狀，通過在與 所述線圈排相關(guān)聯(lián)的配線式樣中引入一個或更多個調(diào)制功能，可以實現(xiàn)由于非期望的多極 場分量引起的系統(tǒng)誤差的減小，其中，所述線圈排包括一對相對的第一和第二相對端部，其 中，所述組件包括從所述軸向所述一個或更多個線圈排中的最內(nèi)側(cè)的線圈排延伸距離R的 孔區(qū)域；在距線圈端部之一小于6R的距離處，將六極分量抑制到比主場分量的量值的10_2小。
102.如權(quán)利要求101所述的方法，其中，所述主場分量是沿所述軸的橫向的平面中的 圓測量的偶極場量值，所述圓具有從所述軸延伸的0. 8R的半徑。
103.如權(quán)利要求101所述的方法，其中，所述主場分量是沿所述軸的橫向的平面中的 圓測量的四極場量值，所述圓具有從所述軸延伸的0. 8R的半徑。
104.如權(quán)利要求101所述的方法，其中，所述六極分量被抑制到比主場分量的量值的 1(T3 小。
105.如權(quán)利要求101所述的方法，其中，所述六極分量被抑制到比主場分量的量值的 10_4 小。
106.如權(quán)利要求101所述的方法，其中，在距一個線圈端部小于3R的距離處抑制所述六極分量。
107.一種用于制造包括沿軸的一個或更多個線圈排的導(dǎo)體組件的方法，所述組件具 有如下類型在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述方法包 括根據(jù)預(yù)先限定的包括沿所述軸的橫向的第一平面的具有第一多極序的主場的場特性， 制造作為組件的一部分的圍繞所述軸的第一螺旋線圈排，所述線圈排包括一對相反的第一 和第二端部，其中所述組件包括從所述軸向所述一個或更多個線圈排中的最外側(cè)的線圈排 延伸距離R的孔區(qū)域，所述第一線圈排包括生成抵消六極場分量的配線式樣調(diào)制功能，當(dāng) 所述線圈排生成磁場時，所述抵消六極場分量能夠減小在距線圈排端部之一小于6R的距 離處存在的六極場分量的量值。
108.如權(quán)利要求107所述的方法，其中沿著以所述軸為圓心并且位于所述軸的橫向的 平面的圓，在距線圈端部之一小于6R的距離處，所述六極分量小于所述主場分量的量值的 1(T2。
109.一種用于制造包括沿軸的一個或更多個線圈排的導(dǎo)體組件的方法，所述組件具 有如下類型在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述方法包 括圍繞孔區(qū)域制造線圈排，所述孔區(qū)域從所述軸延伸距離R，所述線圈排包括圍繞所述軸 安置的螺旋配線式樣，所述式樣包括用于抑制距所述線圈排的端部小于6R的距離處的平 面中的六極場分量的整體量值的調(diào)制功能；在配線式樣中關(guān)聯(lián)所述線圈排；以及把與多極場分量相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)誤差抑制到一定水平，使得所述組件生成的場質(zhì)量由特 性容限來限制。
110.一種用于制造沿曲線軸的導(dǎo)體組件的方法，所述組件具有如下類型在傳導(dǎo)電流 時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述組件包括具有沿所述軸延伸的彎 曲形狀的結(jié)構(gòu)，所述方法包括安置所述結(jié)構(gòu)的表面用于形成沿所述彎曲形狀的溝道；使所述結(jié)構(gòu)圍繞第二軸旋轉(zhuǎn)；以及當(dāng)旋轉(zhuǎn)所述結(jié)構(gòu)時，在所述表面中形成溝道使得產(chǎn)生所述結(jié)構(gòu)中的螺旋形狀，所述溝 道圍繞所述第一軸并且沿所述第一軸延伸。
111.如權(quán)利要求110所述的方法，包括，通過將導(dǎo)體放置在所述溝道中以及形成所述 導(dǎo)體組件來繼續(xù)制造。
112.如權(quán)利要求110所述的方法，其中，所述結(jié)構(gòu)包括沿所述表面的導(dǎo)體材料，以及， 所述溝道延伸通過所述表面以去除一些導(dǎo)體材料，從而一部分剩余的結(jié)構(gòu)是具有圍繞所述 第一軸并且沿所述第一軸延伸的螺旋形狀的導(dǎo)體段。
113.如權(quán)利要求112所述的方法，其中，所述溝道和所述導(dǎo)體段均是根據(jù)一系列點形 成的，每個點具有預(yù)先限定的距所述第一軸的距離。
114.如權(quán)利要求110所述的方法，其中，所述溝道是根據(jù)一系列點形成的，每個點具有 預(yù)先限定的距所述第一軸的距離。
115.如權(quán)利要求114所述的方法，其中，對于多個所述點中的每個點，所述預(yù)先限定的 距離是可以沿著所述第一軸的橫向的、并且經(jīng)過該點的平面測量的距離。
116.如權(quán)利要求114所述的方法，其中，所述形成溝道的步驟包括沿所述表面應(yīng)用切 割工具，其中對于所述多個點中的每個點，所述預(yù)先限定的距離受與所述工具相對所述第 一軸的安置相關(guān)聯(lián)的制造容限的影響。
117.如權(quán)利要求116所述的方法，其中，利用所述切割工具在每個預(yù)先限定的距離處 生成溝道的制造精度與沿所述表面的拓?fù)渥兓療o關(guān)。
118.如權(quán)利要求114所述的方法，其中，對于沿所述第一軸的一段的多個點中的每個占.所述預(yù)先限定的距離是可以沿所述第一軸的橫向的、并且經(jīng)過該點的平面測量的距 離；以及所述預(yù)先限定的距離是受制造容限影響的相同的距離。
119.如權(quán)利要求118所述的方法，其中，在沿所述第一軸的所述一段的每個預(yù)先限定 的距離處生成所述溝道的制造精度與沿所述表面的拓?fù)渥兓療o關(guān)。
120.如權(quán)利要求116所述的方法，其中，制造容限主要是與所述工具相對所述第一軸 的安置相關(guān)聯(lián)的容限。
121.如權(quán)利要求116所述的方法，其中，制造容限主要可歸因于隨機(jī)誤差。
122.如權(quán)利要求110所述的方法，其中，所述第一軸的部分或全部是彎曲的，以及，曲 面輪廓圍繞所述軸對稱安置。
123.如權(quán)利要求110所述的方法，其中，所述第一軸的部分或全部是平直的，并且曲面 輪廓提供擴(kuò)張口形區(qū)域。
124.—種用于制造沿第一軸的導(dǎo)體組件的方法，所述組件具有如下類型在傳導(dǎo)電流 時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述組件包括具有彎曲表面的結(jié)構(gòu)， 其由如下特征描述，沿所述第一軸的橫向的方向的第一曲面輪廓和沿第一軸的方向延伸的 第二曲面輪廓，所述結(jié)構(gòu)包括第一和第二相對端部、所述端部之間的中心位置和孔區(qū)域，所 述孔區(qū)域從所述軸向外延伸在所述軸的橫向的平面中可以測量的距離R，所述方法包括安置所述彎曲表面使得形成沿所述第二曲面輪廓的溝道；以及形成所述溝道使得穿過所述彎曲表面并且在所述結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生圍繞所述第一軸并沿所 述第一軸延伸的螺旋形狀，所述溝道具有沿第二軸的橫截面中的剖面，所述第二軸具有相 對于平行于所述表面的切向量的取向角度，其中，在沿所述第二輪廓的多個溝道位置處的 包括距所述中心位置R以內(nèi)的位置以及端部的一個孔直徑以內(nèi)的位置，所述第二軸在每個 位置處的相對沿所述表面并經(jīng)過同一位置的切向量的取向角度是相同的取向角度。
125.如權(quán)利要求124所述的方法，其中，對于所述溝道沿經(jīng)過整個第一軸的平面的所 有橫截面，所述第二軸在每個相應(yīng)溝道位置處的具有相對于沿所述表面在該位置處的切向 量的相同的取向角度。
126.如權(quán)利要求124所述的方法，其中，對于所述溝道沿經(jīng)過整個第一軸的平面的所 有橫截面，所述第二軸的取向角度是90度。
127.如權(quán)利要求124所述的方法，其中，所述溝道的形成是利用具有工具的可變?nèi)∠?的旋轉(zhuǎn)自由度的工具而實現(xiàn)的，從而在沿所述彎曲形狀的不同位置處，所述工具將所述溝 道切割到所述表面中以提供所述相同的取向角度。
128.如權(quán)利要求124所述的方法，其中，所述第一軸是彎曲的，以及，所述彎曲形狀是 圍繞所述第一軸對稱形成的。
129.如權(quán)利要求128所述的方法，其中，所述彎曲形狀包括擴(kuò)張口形區(qū)域，R沿所述擴(kuò) 張口形區(qū)域變化。
130.如權(quán)利要求124所述的方法，其中，所述第一軸是平直軸，以及，所述彎曲形狀包 括擴(kuò)張口形區(qū)域，R沿所述擴(kuò)張口形區(qū)域變化。
131.如權(quán)利要求124所述的方法，其中，所述結(jié)構(gòu)包括沿所述表面的導(dǎo)體材料，以及， 所述溝道延伸通過所述表面以去除一些導(dǎo)體材料，從而使一部分剩余的結(jié)構(gòu)是具有圍繞所 述第一軸并沿所述第一軸延伸的螺旋形狀的導(dǎo)體段。
132.—種導(dǎo)體組件，該類型的導(dǎo)體組件在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的 情況中感生電壓，包括多個線圈排，所述線圈排包括圍繞軸形成為螺旋配線式樣的導(dǎo)體，所述線圈排中的一 個被安置為離開所述軸的徑向距離為R，其中，對于每個線圈排，所述式樣包括導(dǎo)體環(huán)路，每 個導(dǎo)體環(huán)路相對于所述軸的橫向的平面呈現(xiàn)相同方向的傾斜，所述組件能夠生成軸向場分 量和橫向場分量。
133.如權(quán)利要求132所述的組件，其中，所述組件中的所有線圈排包括導(dǎo)體環(huán)路，所述導(dǎo)體環(huán)路的每個相對于所述軸的橫向的平面的呈現(xiàn)相同方向的傾斜。
134.如權(quán)利要求132所述的組件，包括向安置為距所述軸R的最內(nèi)側(cè)的線圈排延伸的 孔區(qū)域，其中一個或更多個線圈排被配置用于生成沿所述軸的橫向的平面的主場分量；以及沿所述軸的橫向的平面中的具有距所述軸0. 8R的半徑的圓測量的所有更高序場分量 比所述主場分量的量值至少低五個數(shù)量級。
135.如權(quán)利要求132所述的組件，其中，對于所述線圈排中的一個，所述主場分量是偶 極場。
136.如權(quán)利要求132所述的組件，其中，對于所述組件中的所有線圈排，所述主場分量 是偶極場。
137.如權(quán)利要求132所述的組件，其中，所述軸是平直的。
138.如權(quán)利要求134所述的組件，其中，所述線圈排中的一個被配置為包括調(diào)制分量， 其能夠生成具有比所述主場分量更高的序的場分量，以抵消由于非期望的多極場分量引起 的系統(tǒng)誤差。
139.—種導(dǎo)體組件，該類型的導(dǎo)體組件在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的 情況中感生電壓，所述導(dǎo)體組件包括第一線圈排，所述第一線圈排包括圍繞軸形成為螺旋配線式樣并且從所述軸延伸徑向 距離R的導(dǎo)體，其中所述式樣包括開放導(dǎo)體環(huán)路，每個開放導(dǎo)體環(huán)路相對于所述軸的橫向的平面朝一個方 向呈現(xiàn)傾斜，當(dāng)傳導(dǎo)電流經(jīng)過所述線圈排時，所述組件能夠提供凈軸向場分量和沿所述軸的橫向的 平面的序η主場分量，其中，沿所述軸的橫向的平面中的具有距所述軸0. 8R的半徑的圓，比 所述主場分量的量值大的多極序的每個可測量的場分量的量值比所述主場分量的量值至 少低五個數(shù)量級。
140.如權(quán)利要求139所述的導(dǎo)體組件，其中所述配線式樣具有一定的幾何結(jié)構(gòu)形狀，使得通過在所述配線式樣中引入一個或更多 個調(diào)制功能，可以實現(xiàn)由于非期望的多極場分量引起的系統(tǒng)誤差的減小。
141.如權(quán)利要求140所述的導(dǎo)體組件，其中，所述線圈排包括與非期望的多極場分量 相對應(yīng)的所述配線式樣中的調(diào)制功能。
142.如權(quán)利要求138所述的導(dǎo)體組件，其中，根據(jù)下式來構(gòu)造所述線圈排Χ(θ) = [h/(2*Ji)] θ + Σ An sin (η θ +φη)Υ(θ ) = Rcos(θ )Ζ( θ ) = Rsin(θ )其中Χ(θ)是沿所述軸的方向的變化，并且Υ( θ)和Ζ(θ)是與所述軸正交的方向上 的函數(shù)。
143.如權(quán)利要求139所述的導(dǎo)體組件，其中，比所述主場分量的量值大的多極序的每 個可以測量的場分量的量值比所述主場分量的量值至少低七個數(shù)量級。
144.一種操作磁體系統(tǒng)的方法，所述系統(tǒng)具有如下類型在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者 在存在變化磁場的情況中感生電壓，所述系統(tǒng)包括多個線圈排，每個線圈排包括圍繞軸形成為螺旋配線式樣的導(dǎo)體，所述線圈排之一被安置為距所述軸的徑向距離為R，其中，對于 每個線圈排，所述式樣包括導(dǎo)體環(huán)路，每個導(dǎo)體環(huán)路相對于所述軸的橫向的平面朝相同方 向呈現(xiàn)傾斜，所述組件能夠生成軸向場分量和橫向場分量，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括多個電源， 每個電源可以連接為向一個線圈排或不同線圈排中的多個供電，所述方法包括控制流入從不同的電源接收電力的線圈排的電流，從而可以調(diào)節(jié)由不同線圈排生成的 軸向和橫向場強(qiáng)度的相對比例。
145.如權(quán)利要求144所述的方法，其中，所述控制的步驟包括調(diào)節(jié)來自不同的多極序 的軸向和橫向場強(qiáng)度的相對比例。
146.如權(quán)利要求144所述的方法，其中，每個線圈排相對于所述軸的橫向的平面呈現(xiàn) 傾斜角度以及，所有傾斜角度相等。
147.如權(quán)利要求144所述的方法，其中，每個線圈排相對于所述軸的橫向的平面呈現(xiàn) 傾斜角度a”以及，并非所有傾斜角度是相等的。
全文摘要
一種導(dǎo)體組件，該類型的導(dǎo)體組件在傳導(dǎo)電流時生成磁場或者在存在變化磁場的情況中感生電壓。在所述組件的一個實施例中，管形的第一層圍繞軸形成。該軸包括彎曲部分，可沿該彎曲部分安置導(dǎo)體以限定第一導(dǎo)體路徑。第一層也包括彎曲部分，第一層的彎曲部分具有包括沿軸的彎曲部分延伸的彎曲的形狀。第一導(dǎo)體圍繞第一層的彎曲部分以第一螺旋配置布置，這種配置包括螺旋形的并且圍繞軸的彎曲部分形成的彎曲段。該配置能夠承受具有沿所述軸的橫向取向的多極分量的磁場。
文檔編號H01F27/28GK101855682SQ200880115796
公開日2010年10月6日 申請日期2008年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月2日
發(fā)明者雷納·邁因克 申請人:先鋒磁體實驗室有限公司;雷納·邁因克