PMQ – permanentní magnetický kvadrupól

Silné kvádrové magnety zaměřují iontový paprsek

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

Online od: 2011-10-21

S využitím 8 kvádrových magnetů typu Q-40-10-10-N jsme v LHEP (Laboratoř pro částicovou fyziku) Univerzity v Bernu postavili prototyp PMQ (permanentní magnetický kvadrupól). Magnety byly uspořádány do Halbachova válce za účelem vytvoření kvadrupólového pole. Toto uspořádání je srovnatelné s aplikací Výroba Halbachova uspořádání; v našem případě však byl Halbachův pole uspořádán kruhově, nikoliv přímočaře.

Tato aplikace vedla k vědecké publikaci v anglickém jazyce – publikaci je možné stáhnout výše vpravo ve formátu PDF.

Při kontrole magnetických polí v PMQ pomocí Hallovy sondy bylo potvrzeno, že simulace, které byly předem vypočteny metodou FEM (metoda konečných prvků), odpovídají skutečnosti.

Produkty od supermagnete.cz tedy splnily naše očekávání. Po těchto úspěšných testech jsme vyrobili další 4 PMQ.

Skalární potenciál magnetického pole v PMQ se směrem magnetického pole (červeně: severní póly, modře: jižní póly)

Hodnota magnetické indukce v PMQ, barevná škála od 0 (modrá) do 1 tesla (červená)

Čtyři jednotky PMQ namontované na urychlovači

Při sériové montáži a ve správných rozestupech (jako dvě FODO buňky) slouží čtyři kvadrupóly k fokusaci svazku H- iontů, který je generován naším urychlovačem. Fokusovaný svazek dosahuje při dopadu na stacionární cíl (terč) vysoké intenzity, což vede k vyšším reakčním rychlostem v materiálu terče.

Fyzikální vysvětlení

U této aplikace bylo využito Lorentzovy síly. Lorentzova síla je síla, kterou působí elektromagnetická pole na nabitou částici při jejím pohybu. Síla se skládá ze dvou složek: elektrické a magnetické. První složka působí ve směru elektrického pole, druhá pak působí kolmo na magnetické pole a na trajektorii částice. To znamená, že nabité částice lze elektrickými poli urychlovat a magnetická pole lze použít k vychylování částic.

Při samostatném posouzení pohybu nabité částice v magnetickém poli je použitelné tzv. pravidlo tří prstů.

Aplikace Lorentzovy síly jsou početné: Na tomto principu pracují například elektromotory, dynamo na jízdním kole nebo reproduktory. Samozřejmostí jsou i četná uplatnění v částicové fyzice: V urychlovačích se používají magnetické multipóly k manipulaci částicových svazků. Dipóly (2 póly) zakřivují dráhu částic, kvadrupóly (4 póly) fokusují svazek v horizontálním směru a defokusují ve vertikálním směru nebo naopak. Fokusace je tedy možná vždy jen v jednom směru současně. Volbou vhodných rozestupů mezi kvadrupóly je však možné získat v určitém bodě podél částicového svazku tzv. pas svazku. Tam je průřezová plocha svazku minimální. Liouvilleova věta tím porušena není.