Modelling and design of permanent magnet multipoles for beam transport and focusing. II. Configuring the quad
DOI:
https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2022.402Abstract
An optimized magnetic specification has been searched for a PM quadrupole constructed for the DC-140 cyclotron in JINR, Dubna. The field inhomogeneity should be reduced to come closer to an ideal distribution. The quad parameters should be determined with very high mechanical and magnetic precision in order to reach the specified gradient. Results of the analytic study based on a 2D model gave initial values for the PM blocks dimensions and orientations. To ensure stringent performance criteria, parametrized 2D and 3D models of the quad were built. These models were used to optimize the magnet configuration, analyze its sensitivity to various errors and derive parameter tolerances. Additional adjustment to suitable field quality is foreseen using results of a trajectory analysis and acceptance inspection. The design parameters for the best suited magnet configuration are presented and the performance criteria are defined. However, an electromagnetic analysis of the selected configuration has revealed that the relative field error adopted previously as the optimization criterion gives low accuracy estimate. Alternative estimations are proposed utilizing the field gradient error as the basic criterion to satisfy the constraint on the field inhomogeneity.
Keywords:
permanent magnet, quadrupole, beam transport, direct and inverse problems, simulation
Downloads
Download data is not yet available.
References
Литература
Амосков В. М., Васильев В. Н., Гапионок Е. И. Гульбекян Г. Г., Едаменко Н. С., Иваненко И. А., Казаринов Н. Ю., Калагин И. В., Капаркова М. В., Кухтин В. П., Ламзин Е. А., Макаров А. А., Неженцев А. Н., Овсянников Д. А., Овсянников Д. А. (мл.), Осипов Н. Ф., Родин И. Ю., Сычевский С. Е., Фирсов А. А. Особенности разработки мультипольных элементов на основе постоянных магнитов для систем транспортировки заряженных частиц. I. Методика предварительного выбора параметров и конфигурации магнитов // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2021. Т. 17. Вып. 4. С. 313-329. https://doi.org/10.21638/11701/spbu.10.2021.401
Mitrofanov S., Apel P., Bashevoy V., Bekhterev V., Bogomolov S., Borisov O., Franko J., Gikal B., Gulbekyan G., Ivanenko I., Kalagin I., Kazarinov N., Mironov V., Semin V., Skuratov V., Tikhomirov A. The DC130 project: new multipurpose applied science facility for FLNR // Proceedings of 14th Intern. Conference on Heavy Ion Accelerator Technology. Lanzhou, China, 2018. P. 122-124. https://doi.org/10.18429/JACoW-HIAT2018-WEOXA01
Kazarinov N., Apel P., Bekhterev V., Bogomolov S., Bashevoy V., Borisov O., Gulbekian G., Franko J., Ivanenko I., Kalagin I., Mironov V., Mitrofanov S., Tikhomirov A., Semin V., Skuratov V. Conceptual design of FLNR JINR radiation facility based on DC130 cyclotron // Proceedings of 61th Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams. Daejeon, Korea, 2018. P. 324-328. https://doi.org/10.18429/JACoW-HB2018-WEP2PO028
Батыгин В. В., Топтыгин И. Н. Сборник задач по электродинамике / пер. с англ. М.: Наука, 1970. 503 с.
Том Р., Тарр Дж. Магнитные системы МГД-генераторов и термоядерных установок. Основы расчета полей и сил / пер. с англ. Ю. А. Горшкова, А. В. Крымасова. М.: Энергоатомиздат, 1985. 272 с.
Тихонов А. А., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач / пер. с англ. М.: Наука, 1979. 288 с.
Красников Г. Е., Нагорнов О. В., Старостин Н. В. Моделирование физических процессов с использованием пакета Comsol Multiphysics. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. 184 с.
Прахт В. А., Дмитриевский В. А., Сарапулов Ф. Н. Моделирование тепловых и электромагнитных процессов в электротехнических установках. Программа COMSOL. М.: Спутник+, 2011. 158 с.
Затонов И. А. Применение программного пакета Elcut для подбора параметров магнитного поля бетатрона // Инженерия для освоения космоса: сб. науч. трудов IV Всерос. молодежного форума с международным участием. Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2016. С. 130-135.
Yilong Liu, Alex T. L. Leong, Yujiao Zhao, Linfang Xiao, Henry K. F. Mak, Anderson Chun On Tsang, Gary K. K. Lau, Gilberto K. K. Leung, Ed X. Wu. A low-cost and shielding-free ultra-low-field brain MRI scanner // Nature Communications. 2021. Vol. 12. N 1. Art. no. 7238. https://doi.org/10.1038/s41467-021-27317-1
O'Reilly T., Teeuwisse W. M., Webb A. G. Three-dimensional MRI in a homogenous 27 cm diameter bore Halbach array magnet // Journal of Magnetic Resonance. 2019. Vol. 307. Art. no. 106578. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2019.106578
Amoskov V. M., Arslanova D. N., Bazarov A. M., Belov A. V., Belyakov V. A., Belyakova T. F., Firsov A. A., Gapionok E. I., Kaparkova M. V., Kukhtin V. P., Lamzin E. A., Larionov M. S., Maximenkova N. A., Mikhailov V. M., Nezhentzev A. N., Ovsyannikov D. A., Ovsyannikov A. D., Rodin I. Y., Shatil N. A., Sychevsky S. E., Vasiliev V. N., Zaitzev A. A. Simulation of electrodynamic suspension systems for levitating vehicles. I. Modelling of electromagnetic behaviour of maglev vehicles with electrodynamic suspension // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 10. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2014. Вып. 4. С. 5-15.
Амосков В. М., Арсланова Д. Н., Базаров А. М., Белов А. В., Беляков В. А., Белякова Т. Ф., Васильев В. Н., Гапионок Е. И., Зайцев А. А., Капаркова М. В., Кухтин В. П., Ламзин Е. А., Ларионов М. С., Максименкова Н. А., Михайлов В. М., Неженцев А. Н., Овсянников Д. А., Овсянников А. Д., Родин И. Ю., Сычевский С. Е., Фирсов А. А., Шатиль Н. А. Численное моделирование электродинамических подвесов левитационных транспортных систем. II. Верификация вычислительных моделей // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 10. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2015. Вып. 2. С. 18-32.
Амосков В. М., Арсланова Д. Н., Базаров А. М., Белов А. В., Беляков В. А., Белякова Т. Ф., Васильев В. Н., Гапионок Е. И., Зайцев А. А., Капаркова М. В., Кухтин В. П., Ламзин Е. А., Ларионов М. С., Максименкова Н. А., Михайлов В. М., Неженцев А. Н., Овсянников Д. А., Овсянников А. Д., Родин И. Ю., Сычевский С. Е., Фирсов А. А., Шатиль Н. А. Численное моделирование электродинамических подвесов левитационных транспортных систем. III. ЭДП с непрерывной путевой структурой // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 10. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2015. Вып. 3. С. 4-21.
Амосков В. М., Арсланова Д. Н., Базаров А. М., Белов А. В., Беляков В. А., Белякова Т. Ф., Васильев В. Н., Гапионок Е. И., Зайцев А. А., Зенкевич М. Ю., Капаркова М. В., Кухтин В. П., Ламзин Е. А., Ларионов М. С., Максименкова Н. А., Михайлов В. М., Неженцев А. Н., Овсянников Д. А., Овсянников А. Д., Родин И. Ю., Сычевский С. Е., Фирсов А. А., Шатиль Н. А. Численное моделирование электродинамических подвесов левитационных транспортных систем. IV. ЭДП с дискретной путевой структурой // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 10. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2016. Вып. 3. С. 4-17.
Amoskov V., Arslanova D., Baranov G., Bazarov A., Belyakov V., Firsov A., Kaparkova M., Kavin A., Khokhlov M., Kukhtin V., Kuzmenkov V., Labusov A., Lamzin E., Lantzetov A., Larionov M., Nezhentzev A., Ovsyannikov D., Ovsyannikov A., Rodin I., Shatil N., Sytchevsky S., Vasiliev V., Zapretilina E., Zenkevich M. Modelling EMS maglev systems to develop control algorithms // Cybernenics and Physics. 2018. Vol. 7. N 1. P. 11-17.
Amoskov V. M., Belov A. V., Belyakov V. A., Gapionok E. I., Gribov Y. V., Kukhtin V. P., Lamzin E. A., Mita Y., Ovsyannikov A. D., Ovsyannikov D. A., Patisson L., Sytchevsky S. E., Zavadskiy S. V. Magnetic model MMTC-2.2 of ITER tokamak complex // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2019. T. 15. Вып. 3. С. 5-21. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2019.301
Arslanova D., Firsov A., Kukhtin V., Lamzin E., Larionov M., Nezhentzev A., Ovsyannikov D., Rodin I., Shatil N., Sytchevsky S., Vasiliev V., Zaitsev A. Power-efficient low-stray field hybrid magnets for MAGLEV technology // Cybernenics and Physics, 2021. Vol. 10. N 3. P. 117-121. https://doi.org/10.35470/2226-4116-2021-10-3-117-121
References
Amoskov V. M., Vasiliev V. N., Gapionok E. I., Gulbekyan G. G., Edamenko N. S., Ivanenko I. A., Kazarinov N. Y., Kalagin I. V., Kaparkova M. V., Kukhtin V. P., Lamzin E. A., Makarov A. A., Nezhentzev A. N., Ovsyannikov D. A., Ovsyannikov D. A. (jr), Osipov N. F., Rodin I. Yu., Sytchevsky S. E., Firsov A. A. Osobennosti razrabotki multipolnyh elementov na osnove postoyannyh magnitov dlya sistem transportirovki zaryazhennyh chastits. I. Metodika predvaritelnogo vybora parametrov i konfiguratsii magnitov [Modelling and design of permanent magnet multipoles for beam transport and focusing. I. Selection of optimal design and parameters]. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes , 2021, vol. 17, iss. 4, pp. 313-329. https://doi.org/10.21638/11701/spbu.10.2021.401 (In Russian)
Mitrofanov S., Apel P., Bashevoy V., Bekhterev V., Bogomolov S., Borisov O., Franko J., Gikal B., Gulbekyan G., Ivanenko I., Kalagin I., Kazarinov N., Mironov V., Semin V., Skuratov V., Tikhomirov A. The DC130 project: new multipurpose applied science facility for FLNR. Proceedings of 14th Intern. Conference on Heavy Ion Accelerator Technology . Lanzhou, China, 2018, pp. 122-124. https://doi.org/10.18429/JACoW-HIAT2018-WEOXA01
Kazarinov N., Apel P., Bekhterev V., Bogomolov S., Bashevoy V., Borisov O., Gulbekian G., Franko J., Ivanenko I., Kalagin I., Mironov V., Mitrofanov S., Tikhomirov A., Semin V., Skuratov V. Conceptual design of FLNR JINR radiation facility based on DC130 cyclotron. Proceedings of 61th Advanced Beam Dynamics Workshop on High-Intensity and High-Brightness Hadron Beams . Daejeon, Korea, 2018, pp. 324-328. https://doi.org/10.18429/JACoW-HB2018-WEP2PO028
Batygin V. V., Toptygin I. N. Problems in electrodynamics . London, New York, Academic Press, 1964, 587 p. (Rus. ed.: Batygin V. V., Toptygin I. N. Sbornik zadach po elektrodinamike . Moscow, Nauka Publ., 1970, 503 p.)
Thome R. J., Tarrh J. M. MHD and fusion magnets: field and force design concepts. New York, Wiley Publ., 1982, 249 p. (Rus. ed.: Thome R. J., Tarrh J. M. Magnitnye sistemy MGD-generatorov i termoyadernyh ustanovok. Osnovy rascheta polej i sil. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1985, 282 p.)
Tikhonov A. N., Arsenin V. Ya. Solutions of ill-posed problems. New York, Halsted Press, 1977, 288 p. (Rus. ed.: Tikhonov A. N., Arsenin V. Ya. Metody resheniya nekorrektnyh zadach. Moscow, Nauka Publ., 1979, 288 p.)
Krasnikov G. E., Nagornov O. V., Starostin N. V. Modelirovanie fizicheskih processov s ispol'zovaniem paketa Comsol Multiphysics [ Simulation of physical processes with Comsol Multiphysics software ]. Moscow, NRNU MEPhI Publ., 2012, 184 p. (In Russian)
Prakht V. A., Dmitrievskiy V. A., Sarapulov F. N. Modelirovanie teplovyh i elektromagnitnyh processov v elektrotehnicheskih ustanovkah. Programma COMSOL [ Simulation of thermal and electromagnetic processes in electrical devices. COMSOL software ]. Moscow, Sputnik+ Publ., 2011, 158 p. (In Russian)
Zatonov I. A. Primenenie programmnogo paketa Elcut dlya podbora parametrov magnitnogo polya betatrona [Using the computer code Elcut to select field parameters in a betatron-type particle accelerator]. Proceedings of IV Russian forum on Space Engineering for young scientists. Tomsk, Tomsk Polytechnic University Press, 2016, pp. 130-135. (In Russian)
Yilong Liu, Alex T. L. Leong, Yujiao Zhao, Linfang Xiao, Henry K. F. Mak, Anderson Chun On Tsang, Gary K. K. Lau, Gilberto K. K. Leung, Ed X. Wu. A low-cost and shielding-free ultra-low-field brain MRI scanner. Nature Communications, 2021, vol. 12, no. 1, Art. no. 7238. https://doi.org/10.1038/s41467-021-27317-1
O'Reilly T., Teeuwisse W. M., Webb A. G. Three-dimensional MRI in a homogenous 27 cm diameter bore Halbach array magnet. Journal of Magnetic Resonance, 2019, vol. 307, Art. no. 106578. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2019.106578
Amoskov V. M., Arslanova D. N., Bazarov A. M., Belov A. V., Belyakov V. A., Belyakova T. F., Firsov A. A., Gapionok E. I., Kaparkova M. V., Kukhtin V. P., Lamzin E. A., Larionov M. S., Maximenkova N. A., Mikhailov V. M., Nezhentzev A. N., Ovsyannikov D. A., Ovsyannikov A. D., Rodin I. Y., Shatil N. A., Sychevsky S. E., Vasiliev V. N., Zaitzev A. A. Simulation of electrodynamic suspension systems for levitating vehicles. I. Modelling of electromagnetic behaviour of maglev vehicles with electrodynamic suspension. Vestnik of Saint Petersburg University. Series 10. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2014, iss. 4, pp. 5-15.
Amoskov V. M., Arslanova D. N., Bazarov A. M., Belov A. V., Belyakov V. A., Belyakova T. F., Vasiliev V. N., Gapionok E. I., Zaitzev A. A., Kaparkova M. V., Kukhtin V. P., Lamzin E. A., Larionov M. S., Maximenkova N. A., Mikhailov V. M., Nezhentzev A. N., Ovsyannikov D. A., Ovsyannikov A. D., Rodin I. Yu., Sychevsky S. E., Firsov A. A., Shatil N. A. Chislennoe modelirovanie elektrodinamicheskih podvesov levitatsionnyh transportnyh sistem. II. Verifikatsiya vychislitelnyh modelej [Simulation of electrodynamic suspension systems for levitating vehicles. II. Validation of computational models]. Vestnik of Saint Petersburg University. Series 10. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2015, iss. 2, pp. 18-32. (In Russian)
Amoskov V. M., Arslanova D. N., Bazarov A. M., Belov A. V., Belyakov V. A., Belyakova T. F., Vasiliev V. N., Gapionok E. I., Zaitzev A. A., Kaparkova M. V., Kukhtin V. P., Lamzin E. A., Larionov M. S., Maximenkova N. A., Mikhailov V. M., Nezhentzev A. N., Ovsyannikov D. A., Ovsyannikov A. D., Rodin I. Y., Sychevsky S. E., Firsov A. A., Shatil N. A. Chislennoe modelirovanie elektrodinamicheskih podvesov levitatsionnyh transportnyh sistem. III. EDP s nepreryvnoj putevoj strukturoj [Simulation of electrodynamic suspension systems for levitating vehicles. III. Continuous track systems]. Vestnik of Saint Petersburg University. Series 10. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2015, iss. 3, pp. 4-21. (In Russian)
Amoskov V. M., Arslanova D. N., Bazarov A. M., Belov A. V., Belyakov V. A., Belyakova T. F., Vasiliev V. N., Gapionok E. I., Zaitzev A. A., Zenkevich M. Y., Kaparkova M. V., Kukhtin V. P., Lamzin E. A., Larionov M. S., Maximenkova N. A., Mikhailov V. M., Nezhentzev A. N., Ovsyannikov D. A., Ovsyannikov A. D., Rodin I. Y., Sychevsky S. E., Firsov A. A., Shatil N. A. Chislennoe modelirovanie elektrodinamicheskih podvesov levitatsionnyh transportnyh sistem. IV. EDP s diskretnoj putevoj strukturoj [Simulation of electrodynamic suspension systems for levitating vehicles. IV. Discrete track systems]. Vestnik of Saint Petersburg University. Series 10. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2016, iss. 3, pp. 4-17. (In Russian)
Amoskov V., Arslanova D., Baranov G., Bazarov A., Belyakov V., Firsov A., Kaparkova M., Kavin A., Khokhlov M., Kukhtin V., Kuzmenkov V., Labusov A., Lamzin E., Lantzetov A., Larionov M., Nezhentzev A., Ovsyannikov D., Ovsyannikov A., Rodin I., Shatil N., Sytchevsky S., Vasiliev V., Zapretilina E., Zenkevich M. Modelling EMS maglev systems to develop control algorithms. Cybernenics and Physics, 2018, vol. 7, no. 1, pp. 11-17.
Amoskov V. M., Belov A. V., Belyakov V. A., Gapionok E. I., Gribov Y. V., Kukhtin V. P., Lamzin E. A., Mita Y., Ovsyannikov A. D., Ovsyannikov D. A., Patisson L., Sytchevsky S. E., Zavadskiy S. V. Magnetic model MMTC-2.2 of ITER tokamak complex. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2019, vol. 15, iss. 3, pp. 5-21. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2019.301
Arslanova D., Firsov A., Kukhtin V., Lamzin E., Larionov M., Nezhentzev A., Ovsyannikov D., Rodin I., Shatil N., Sytchevsky S., Vasiliev V., Zaitsev A. Power-efficient low-stray field hybrid magnets for MAGLEV technology. Cybernenics and Physics, 2021, vol. 10, no. 3, pp. 117-121. https://doi.org/10.35470/2226-4116-2021-10-3-117-121
Downloads
Published
2023-03-02
How to Cite
Amoskov, V. M., Vasiliev, V. N., Gapionok, E. I., Gulbekian, G. G., Edamenko, N. S., Ivanenko, I. A., … Shatil, N. A. (2023). Modelling and design of permanent magnet multipoles for beam transport and focusing. II. Configuring the quad. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 18(4), 454–472. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2022.402
Issue
Section
Applied Mathematics
License
Articles of "Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes" are open access distributed under the terms of the License Agreement with Saint Petersburg State University, which permits to the authors unrestricted distribution and self-archiving free of charge.
