Сверхпроводящий 17-полюсный вигглер с полем 7 Тесла для генерации синхротронного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

ХРУЩЕВ Сергей Владимирович.

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ 17-ПОЛЮСНЫЙ ВИГГЛЕР С ПОЛЕМ 7 ТЕСЛА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 2003

Работа выполнена в Институте ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН. НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Мезенцев доктор физико-математических наук,

Николай Александрович Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера

СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Куксанов

Николай Константинович

Юшков

Юрий Георгиевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

доктор технических наук,

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера

СО РАН, г. Новосибирск.

доктор технических наук, Институт ядерной физики Томского политехнического университета.

Институт общей и ядерной физики РНЦ "Курчатовский институт", г. Москва.

Защита диссертации состоится «_»_2003 г.

в «_» часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.01

при Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: г.Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И.Будкера СО РАН.

Автореферат разослан «_»_2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

к!оо?-Д

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время для генерации синхротронного излучения на накопительных кольцах всё шире применяются так называемые вставные устройства. Применение вставных устройств позволяет улучшить параметры излучения по сравнению с излучением из поворотных магнитов. При этом применение вставных устройств, созданных на основе сверхпроводящих магнитов, размещаемых в прямолинейных промежутках накопителей и создающих знакопеременное поперечное магнитное поле, позволяет получать синхротронное излучение в жесткой области рентгеновского диапазона на накопителях с относительно невысокой энергией электронов. При этом затраты на изготовление и установку вставного устройства оказываются несравнимо ниже затрат на реконструкцию накопителя с целью увеличения энергии электронов.

Данная работа посвящена созданию семнадцатиполюсного вигглера с периодом 148 мм и магнитным зазором 19 мм. При этом номинальное поле в медианной плоскости на тринадцати основных полюсах составляет 7 Тесла, а максимально достигнутое 7.45 Тесла. Вигглер был установлен в 2002 году на накопительном кольце ВЕвБУ-П (Берлин, Германия). Устройство с такими характеристиками было создано впервые в мире.

Целью работы явилось создание сверхпроводящего 17-полюсного вигглера с высоким уровнем магнитного поля (7 Тл) на 13-ти основных полюсах для генерации мощного рентгеновского излучения для материаловедения.

Научная новизна

1. Создан сверхпроводящий 17-полюсный вигглер с рекордным для №)-Т1 обмоток полем 7 Тл при межполюсном зазоре 19 мм и периоде 148 мм. Устройство с такими характеристиками создано впервые в мире.

2. В вигглере применена холодная вакуумная камера. Для предотвращения нагрева холодной вакуумной камеры пролетающим пучком в нее с зазором вставлен медный лайнер. Такая конструкция позволила существенно снизить межполюсный зазор при заданной вертикальной апертуре.

3. Впервые для многополюсного вигглера применена система бандажирования бронзовыми шпильками, которая исключила влияющие на работоспособность вигглера подвижки обмоток под действием повдеромоторныхсил. | *осна!П<01мльная"]

I библиотека I

3 i

Практическая значимость работы. Создан генератор мощного рентгеновского излучения. На накопительном кольце ВЕЗБУ-П в Берлине планируется использование этого излучения для материаловедения.

Многие примененные в вигглере решения, касающиеся технологии изготовления обмоток, конструкции холодной вакуумной камеры с медным лайнером, конструкции системы бандажирования и др., могут быть использованы в дальнейшем при изготовлении сверхпроводящих магнитных систем.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. Произведен расчет конструкции обмотки и магнитной системы сверхпроводящего 17-полюсного вигглера.

2. Отработана конструкция медного лайнера в холодной вакуумной камере, что позволяет в будущем использовать холодную вакуумную камеру для сверхпроводящих магнитных систем с целью уменьшения межполюсного зазора.

3. Отработана конструкция системы бандажирования бронзовыми шпильками для многополюсных вигглеров.

4. Произведены испытания вигглера, в результате которых было достигнуто магнитное поле 7.45 Тесла на 13-ти основных полюсах.

Апробация работы и публикации Работы, положенные в основу диссертации докладывались на семинаре в Институте ядерной физики им.Будкера СО РАН, на XVIII международном семинаре по ускорителям заряженных частиц (Алушта), на втором международном рабочем совещании по сверхпроводящим вставным устройствам (Гренобль, Франция), на международных конференциях РАС.01 (Чикаго, США), ЕРАС 2002 (Париж, Франция) и были опубликованы в виде 5 статей.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 45 наименований, изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении говорится об актуальности применения вставных устройств и приведены основные характеристики описываемого в работе вигглера (Табл. 1).

В первой главе содержится обзор вставных устройств, таких как вигглеры, шифтеры, ондуляторы, описывается их назначение, рассмотрены варианты выполнения магнитной структуры вигглеров.

Спектральные характеристики излучения, производимого электронами, движущимися в поперечном магнитном поле, определяются энергией электронов Е и величиной магнитного поля В (ес~Е2В). Таким образом, чтобы спектр излучения стал более жёстким необходимо либо увеличить энергию электронов, либо увеличить магнитное поле. Величина энергии

электронов определяется параметрами накопителя. Использование сверхпроводящих материалов позволяет создавать магниты с достаточно высоким уровнем поля. При этом применение созданных на основе сверхпроводящих магнитов вставных устройств, размещаемых в прямолинейных промежутках накопителей и создающих знакопеременное поперечное магнитное поле, позволяет получать синхротронное излучение в жесткой области рентгеновского диапазона на накопителях с относительно невысокой энергией электронов. При этом затраты на изготовление и установку вставного устройства оказываются несравнимо ниже затрат на реконструкцию накопителя с целью увеличения энергии электронов.

Табл. 1. Основные параметры вигглера.

Число полюсов

Основных 13

Дополнительных 4

Вертикальная апертура вакуумной

камеры, мм 13

Межполюсной зазор, мм 19

Длина полюса (период), мм 74 (148)

Магнитное поле на основных

полюсах, Тл

максимальное 7.45

рабочее 7.0

Материал обмоток N1)11

Энергия, ГэВ 1.9

Ток пучка е", А 0.5

Мощность СИ, кВт 61

Запас энергии, кДж 460

Расход жидкого гелия, л/час 0.4

Вставные устройства, создающие знакопеременное магнитное поле, делятся на три группы - шифтеры, ондуляторы и вигглеры. Шифтер имеет только один полюс с сильным магнитным полем, используемый для генерации излучения. Остальные полюса с меньшим полем используются для выравнивания орбиты пучка заряженных частиц. Вигглеры и ондуляторы имеют большое число полюсов с равным по величине и чередующимся по знаку магнитным полем. Общая интенсивность излучения из вигглера равна сумме интенсивностей излучения с каждого полюса. При этом для магнитной структуры ондулятора параметр ондуляторности К=0.934 Ао[см] • Во[Тесла]~1, где Хо - период магнитной структуры, В0 - амплитуда магнитного поля в медианной плоскости. Вигглером называют магнитную структуру, для которой параметр ондуляторности К» 1.

Для многополюсного вигглера могут применяться различные схемы, некоторые из которых приведены на Рис. 1. В наиболее простой схеме Рис. 1(а) помимо основных полюсов на каждом конце вигглера установлено по одному дополнительному полюсу, длина которых равна длще основных полюсов, а поле на них в два раза меньше. При использовании этой схемы ось орбиты пучка не совпадает с осью вигглера. При большой длине вигглера и большом магнитном поле это может привести к неустойчивости движения пучка. В вигглере, выполненном по схеме (б), мы видим меньшее отклонение оси орбиты от оси вигглера. Здесь длина дополнительных полюсов уменьшена в два раза по сравнению с длиной основных полюсов, а поле на них совпадает с полем на основных полюсах. Недостаток схемы заключается в сложности изготовления таких дополнительных полюсов. В схеме (в) на каждом конце вигглера используется по два полюса с полем ЪА и 1А от основного. Уточняя расстояние между дополнительными полюсами и (или) поле на них, легко добиться совпадения осей вигглера и орбиты. Описываемый в данной работе вигтлер выполнен по схеме (в) Рис. 1.

а

в

1 1 ! , 1 1 | -В/4 1 И! ? 1 1 ' I 1 ' м Гй ! -В • • 1 \ ! 1 В I ^ ! ж В/4 1 < ! 1 ' 1 1 '

1 * ! ! 1 ! 1 1 ■ | "-г , 1 < | 1 I ■ ¡1:

Рис. 1. Траектории пучка внутри вигглеров (применяемые схемы).

Во второй главе приводится постановка задачи по созданию вигглера, описан процесс выбора его основных параметров.

Первоначально была поставлена задача создания многополюсного вигглера, встраиваемого в прямолинейный промежуток накопительного кольца ВЕ88У-11 с целью получения мощного рентгеновского излучения в диапазоне энергий фотонов до 100 кэВ дня материаловедения. При этом длййа вигглера бт фланца до фланца не должна превышать 2.2 м, а вертикальная апертура должна составлять 14 мм. Для вигглера была выбрана схема с четырьмя корректирующими полюсами.

С целью максимально уменьшить межполюсной зазор, было принято решение использовать вакуумную камеру, имеющую температуру жидкого гелия. Для предотвращения на1рева пучком заряженных частиц холодной

вакуумной камеры в ней предусмотрен медный лайнер, имеющий температуру 20 К. При этом расчетный магнитный зазор должен был составить 21 мм.

Период будущего вигглера определялся исходя из цели получения максимальной интенсивности излучения при энергии фотонов ~14 кэВ. График функции, пропорциональной потоку фотонов из вигглера в зависимости от его периода при перечисленных выше параметрах, приведен на Рис. 2. .

4 „ 0,04

О. /

I

ш /

о /

х /

о /

ё 001--/-----

■е- /

ы /

о /

о /

С /

°0 5 10 15 20 25 30

Период, см

Рис. 2. График функции, пропорциональной потоку фотонов с длиной волны А, в зависимости от периода вигглера Х0.

Из графика видно, что максимум функции соответствует периоду вигглера 14 см. При этом поле в медианной плоскости имеет величину около 7 Тесла. При уменьшении периода поле в медианной плоскости снижается и плотность потока фотонов падает. При увеличении периода поле в медианной плоскости растет, но при этом уменьшается количество полюсов, помещающихся в заданный промежуток. Плотность потока фотонов в этом случае также уменьшается.

Таким образом, для будущего вигглера были выбраны следующие параметры: период - 140 мм, межполюсной зазор - 21 мм, поле в медианной плоскости - 7 Тесла.

В третьей главе описан процесс расчета, изготовления и испытания прототипов магнитной системы. Первый прототип, изготовленный из провода прямоугольного сечения, оказался не вполне удачным, поэтому был изготовлен второй прототип с использованием круглого провода.

. Для первого прототипа был использован провод NbTi, который после изготовления был прокатан до получения сечения с двумя плоскими параллельными поверхностями. Предполагалось, что это, во-первых увеличит коэффициент заполнения, а во-вторых уменьшит внутренние напряжения в проводе при изгибах малого радиуса.

Для рассматриваемого вигглера было решено изготовлять катушки двухсекционными. Все расчеты производились с использованием разработанной в Институте Ядерной Физики программы MERMAID. Токи, соответствующие характеристикам короткого образца используемого i провода: Для первой секции - 188 А, для второй секции - 284 А. При этом пик поля в медианной плоскости составляет 7.57 Т. Магнитная система вигглера запитывается двумя токами - и 12. При этом внутренние секции t основных полюсов и полюсов 3/4, а также обмотки полюсов 1/4 запитаны током It. Наружные секции основных полюсов запитаны суммой токов Ii+Iz-Наружные секции полюсов 3/4 запитаны током 12.

Намотка сверхпроводящих катушек осуществляется так называемым методом «мокрый по мокрому» с использованием эпоксидного компаунда. Технология намотки прямоугольного провода при этом существенно отличается от технологии для круглого провода. Для круглого провода число витков в соседних слоях отличается на единицу, при этом витки каждого слоя ложатся в желоба, образованные витками предыдущего слоя (Рис. За).

Рис. 3. Расположение провода в обмотке (а-круглый провод, б-«прямоуголъный провод»).

Для прямоугольного провода все слои имеют одно и то же количество витков. При этом каждый новый виток ложится строго на виток предыдущего слоя (Рис. 36). Если для круглого провода каждый новый виток фиксируется от поперечного смещения двумя витками нижележащего слоя, то для прямоугольного провода такая фиксация отсутствует. Это предъявляет повышенные требования к процессу намотки, т.к. необходимо тщательно следить, чтобы вновь намотанный виток был плотно прижат к ранее намотанному витку этого же слоя. Также очень сложным местом является переход со слоя на слой. Приходится применять различные прокладки, чтобы избежать повреждения изоляции и поворота провода относительно собственной оси. Следует также отметить, что прямоугольный

8

провод изготавливается прокатыванием уже изолированного круглого провода, что очень сильно снижает прочность лаковой изоляции. Это требует значительно более аккуратного обращения с проводом.

Для плотного сжатия витков намотанная катушка в мокром состоянии зажимается в специальном приспособлении. При этом на обмотку накладываются пластины из стеклотекстолита, смазанные тем же эпоксидным компаундом, которым пропитана катушка. Затем катушка помещается в печь и выдерживается при температуре 120 град. С в течение 12 часов. При этом полностью полимеризуется эпоксидный компаунд. После окончательного затвердевания производится механическая обработка катушки до нужной толщины. При этом обработка должна производиться в пределах пластин из стеклотекстолита, приклеенных к обмотке. При этом в процессе обработки выяснилось, что толщина катушки получилась больше расчетной. Это вызвало необходимость увеличения периода вигглера до 144 мм.

Первоначально был изготовлен прототип, состоящий из трех основных полюсов и четырех боковых. Для испытаний прототипа было специально изготовлено укороченное ярмо. Фиксация витков обмотки от перемещений под действием пондеромоторных сил осуществлялась специальной бандажирующей системой, которая включает в себя железное ярмо, инваровые клинья и стальные рессоры. Общий вид прототипа изображен на Рис. 4.

Собранный прототип был помещен в погружной криостат. После 19-ти срывов было достигнуто поле 6.8 Тесла. Эта величина поля меньше требуемой первоначальной постановкой задачи. При попытке увеличить скорость подъема тока с 0.25 А/с до 0.5 А/с произошел срыв на поле 3.96 Тесла.. Это говорит о возможном наличии закоротки в одной из катушек.

Рессооы

Инваровые клинья

Рис. 4. Общий вид прототипа. 9

Прототип был отогрет и извлечён из криостата. Было обнаружено значительное ослабление затяжки инваровых клиньев. Клинья были подтянуты. Через магнитный зазор были пропущены четыре бронзовых шпильки, которыми дополнительно было стянуто ярмо для предотвращения его деформации. В таком виде прототип был испытан повторно. После 17-ти срывов было достигнуто поле 7.15 Тесла. При этом скорость подъёма тока при поле выше 7 Тесла составляла 0.1 А/с. Для надежной работы вигглера на поле 7 Тесла желательно, чтобы срыв происходил на поле выше, чем 7.2 Тесла. К тому же при столь длительном тренировочном цикле для трёх основных полюсов возникало серьёзное опасение, что оттренировать магнит, содержащий 13 основных полюсов, вообще не удастся. Также совершенно неприемлемой оказалась допустимая скорость подъёма тока (0.25 - 0.1 А/с). Судя по поведению катушек при испытаниях (наличие закороток), можно было предположить, что при прокатывании провода до прямоугольного состояния была чрезмерно снижена прочность лаковой изоляции. При намотке катушек и при последующем бандажировании на некоторых участках провода изоляция окончательно повреждается, образуя закоротку. Поэтому после обсуждения было решено изготовить второй прототип с использованием круглого провода. Это объяснялось более простой технологией намотки круглого провода и, как следствие, более стабильным качеством намотки (увеличение запаса до критики). При этом период было решено увеличить до 148 мм, а магнитный зазор уменьшить до 19 мм. При этом вертикальная апертура пучка уменьшилась до 13 мм, также несколько сократилось пространство, занимаемое вакуумной камерой и медным лайнером. Было также внесено изменение в систему бандажирования. Теперь катушки стягивались восемью бронзовыми шпильками через плиты, изготовленные из нержавеющей стали. Фотография прототипа с новой системой бандажирования приведена на Рис. 5. Прототип из круглого провода был испытан в погружном криостате. После серии срывов было получено поле 7.67 Тесла.

Рис. 5. Прототип с измененной системой бандажирования.

10

В четвертой главе описываются испытания полной магнитной системы вигглера сначала в погружном, а затем в собственном криостате. Рассматривается влияние вигглера на параметры электронного пучка. Описываются измерения интегралов поля методом натянутой проволочки.

Успешное испытание второго прототипа позволило принять решение об изготовлении полного вигглера, содержащего 13 основных полюсов и четыре дополнительных. Чертеж магнитной системы вигглера в сборе приведен на Рис. 6. При испытаниях полного вигглера в погружном криостате шестой срыв произошел на поле 7.47 Тесла.

£ Железное ярмо

гг-г »г . -г - ■■ -.......Т----Ч-Ч

Р --- :==~ 1 ~ —

--- ШЁШ! —

-

Бронзовые шпильки

Полюс 314

Рис. 6. Магнитная система 17 — полюсного вигглера.

После испытаний в погружном криостате вигглер был отогрет, доставлен в цех и заварен в собственный гелиевый бак, который является частью собственного криостата вигглера. Криостат был собран, произведено 1 захолаживание и проведены испытания. Первый срыв произошел на поле 7.29 Тесла.

Для получения карты поля была изготовлена специальная измерительная » система. Сложность этой системы вызвана применением в вигглере холодной вакуумной камеры. Измерительная система состоит из рамы с двумя подвижками (по одной с каждой стороны вигглера), направляющей трубки с датчиком Холла и двух сильфонов. Рама неподвижно закреплена на вштлере. Направляющая трубка проходит внутри холодной вакуумной камеры и с натягом Закреплена на кронштейнах подвижек. При этом подвижки йозвбляют синхронно перемещать оба конца трубки в поперечном к оси вигглера направлении. Предусмотрена также возможность вручную производить вертикальное перемещение. Концы трубки герметично соединены с концами холодной вакуумной камеры через сильфоны. В результате образуется вакуумный объём, ограниченный холодной вакуумной

камерой, направляющей трубкой и двумя сильфонами. Внутри трубки находится датчик Холла, который приводится в движение горизонтальным приводом подвижек через кевларовую нить. При измерениях интегралов поля методом натянутой проволочки датчик Холла убирается из трубки, а вместо него пропускается проволочка, закрепленная на специальных кронштейнах. Конструкция измерительной системы приведена на Рис. 7. Продольное распределение поля на уровне 7 Т приведено на Рис. 8. С помощью метода натянутой проволочки были определены токи, соответствующие нулевым интегралам поля.

Сильфоны

Холодная вакуумная камера

Электродвигатели поперечных подвижек

т£г

Элементы крепления системы к криостату

Рис. 7. Система магнитных измерений для собственного криостата вигглера. Внутри направляющей трубки движется датчик Холла или натягивается проволочка для измерения интегралов поля.

В.Т

►

►I

; ! , г 1 }

1 1 1 1

1 ! ) 1

1 ....................11" """

...

+ [ __ -г-]- —

! 1 1 —

г:: ::::: :аг

Г -Г- [- _____£:

______

1 |

1. 1

гдг. . 1

1 !« 1

Т

• Я) «Я 1В Я» 111] 13* Ш1 19»

Б. мм

Рис. 8. Продольное распределение поля в вигглере на уровне 7 Т (измерения в собственном криостате).

В пятой главе приводятся характеристики синхротронного излучения из вштлера.

Установка вштлера в прямолинейный участок накопителя позволяет концентрировать в малый телесный угол излучение с достаточно большого участка траектории и трансформировать спектральные характеристики синхротронного излучения (повышать спектральную плотность излучения в нужном участке спектра). Особенно актуально это становится в случае, когда накопитель уже давно спроектирован и построен для решения определенного круга задач и простая модернизация его магнитной структуры, а, следовательно, и изменение характеристик синхротронного излучения не представляется возможным.

На основании расчетов и результатов измерений распределения магнитного поля в вигглере можно оценить мощность идущего из него синхротронного излучения. Угловое распределение мощности синхротронного излучения из вигглера при энергии пучка 1.9 ГэВ и токе 0.5 А и спектральная плотность излучения под нулевым углом к оси прямолинейного промежутка при этих условиях приведены на Рис. 9.

Полная мощность излучения из вигглера с магнитным полем 7 Тл, при энергии пучка 1.9 ГэВ и токе 0.5 А составляет 61 кВатг.

Рис. 9. Угловое распределение мощности излучения из вигглера при энергии пучка 1.9 ГэВ и токе 0.5 А и спектральная плотность излучения.

В шестой главе описана конструкция криостата, приведена оценка притоков тепла в гелиевый объем.

Собственный криостат 17-полюсного вигглера состоит из наружного корпуса, экрана 60 К, экрана 20 К, гелиевого бака, вакуумной камеры, 2-х реконденсоров и 2-х кулеров. Сборочный чертеж семнадцатиполюсного вигглера в собственном криостате приведен на Рис. 10. Магнитная система размещена внутри гелиевого бака и в рабочем состоянии полностью находится в жидком гелии. С целью устранения теплопритока за счет теплопроводности, между гелиевым баком и наружным корпусом криостата создается вакуум. Также между гелиевым баком и наружным корпусом находятся два медных экрана, служащие для снижения притока тепла за счет излучения.

( 1

Реконденсоры

Рис. 10. Сборочный чертеж криостата.

Гелиевый бак подвешен к наружному корпусу криостата на четырех подвесках, изготовленных из кевлара (с целью снижения теплопритока). Для, фиксации гелиевого бака в горизонтальной плоскости используются четыре дополнительных кевларовых растяжки. С целью снижения теплопритока за счет излучения гелиевый бак покрыт 10-ю слоями суперизоляции. Суперизоляция представляет собой многослойный пакет из алюминизированой лавсановой пленки с дистанцирующими прокладками из стекловолокна. Экраны подвешиваются к наружному корпусу криостата с помощью восьми кевларовых подвесок. Для охлаждения экранов используются два кулера. Рабочая температура внутреннего экрана около 20 К, внешнего около 60 К. В обоих экранах имеются отверстия, через которые проходят подвески гелиевого бака. Экран 60 К покрыт 30-ю слоями * суперизоляции.

Каждый из четырех токовводов состоит из двух частей. В нижней части это высокотемпературный сверхпроводящий керамический токоввод, а в "> верхней - обычный латунный токоввод. Нижняя часть керамического токоввода присоединяется непосредственно к №>ТЧ проводу одной из катушек. Место соединения токовводов имеет тепловой контакт с экраном 60 К. Латунные токовводы охлаждаются испаряющимся из криостата гелием. Основной теплоприток в криостат происходит по токовводам, поэтому необходимо оптимизировать их конструкцию 6 целью свестй теплоприток к минимуму. Сечение токоввода, с одной стороны, должно быть малым с Точки зрения уменьшения теплопритока за счет теплопроводности в жидкий гелий, а с другой стороны - достаточно большим для предотвращения омического нагрева токоввода при протекании через него тока. Оптимизация токовводов была произведена на ток 200 А.

В качестве высокотемпературных сверхпроводящих токовводов использованы токовводы С8025030 для первого тока и С8050030 - для второго. При температуре верхних концов токовводов 60 К теплоприток в гелиевый объем составляет 0.38 Ватт, а при включении номинальных токов -0.41 Ватг.

Необходимость максимально уменьшить магнитный зазор не позволила разместить внутри криостата вакуумную камеру комнатной температуры. Поэтому вакуумной камерой является часть гелиевого бака, а именно труба, проходящая через магнитный зазор. В этом случае вакуумная камера имеет « температуру 4.2 К. Чтобы предотвратить нагрев пучком вакуумной камеры в неё вставлен медный лайнер, имеющий тепловой контакт с экраном 20 К. Для обеспечения требуемого зазора между лайнером и вакуумной камерой используются тонкие проставки из нержавеющей стали, имеющей низкую теплопроводность. Первоначально лайнер имел продольные прорези, предназначавшиеся для ускорения процесса создания вакуума в зазоре между лайнером и холодной вакуумной камерой. Во время испытаний вигглера, установленного на накопительное кольцо, возникла неожиданная ; проблема. При увеличении тока пучка резко вырос расход жидкого гелия. | При отсутствии пучка расход жидкого гелия составлял 0.4 л/час. При токе пучка 50 мА расход составил 0.5 л/час. При токе пучка 100 мА расход увеличился до 0.8 л/час. Т.е. прирост расхода пропорционален квадрату тока пучка. Было сделано предположение, что в случае отклонения пучка от медианной плоскости в лайнере наводятся токи, циркулирующие по азимуту лайнера, и в этом случае на прорезях генерируется излучение, которое вызывает нагрев холодной вакуумной камеры. Вигглер был разобран, лайнер заменен на новый без прорезей. Одновременно были устранены I обнаруженные ступеньки на входе в лайнер и на выходе из него. После сборки и повторного испытания на кольце зависимость расхода жидкого гелия от тока пучка стала практически незаметной.

Расчетные теплопритоки на гелиевый бак составляют: по излучению - ■ 5.910"4 Ватг, по кевларовым подвескам - 2.МО""3 Ватт, по сигнальным проводам - порядка 0.16 Ватт, по токовводам - порядка 0.4 Ватт. Включенный уровнемер приносит порядка 0.05 Ватт тепла. Таким образом ■« общий теплоприток в гелиевый объем составляет около 0.6 Ватт.

В заключении перечислены основные результаты работы, которые I одновременно являются положениями, выносимыми на защиту. |

I

I

I

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. А.М.Батраков, Е.А.Бехтенев, В.М.Боровиков, В.К.Журба, М.Г.Федурин, В.В. Репков, Г.В.Карпов, С.В.Хрущев, Г.Н.Кулипанов, М.В.Кузин, В.К.Лев, Н.А.Мезенцев, В.А.Шкаруба Сверхпроводящие сильнопопевые вигглеры и шифтеры в ИЯФ СО РАН. Вопросы атомной науки и техники. Серия ядерно-физические исследования (38), (Материалы 17 международного семинара по ускорителям

> заряженных частиц, Алушта, 2001), 2001, N3, с. 59-61.

2. A.Batrakov, VJurba, S.Khrushchev, G.Kulipanov, E.Kuper, M.Kuzin, A.Medvedko, N.Mezentsev, V.Shkaruba, D.Zagrando, B.Diviacco,

„ R.P.Walker, A Superconducting 3.5 T multipole wiggler for the ELETTRA

storage ring. Proc. of EPAC-2002, Paris, France, p.2634-2636.

3. A.M.Batrakov, E.A.Bekhtenev, V.M.Borovikov, V.K.Djurba, M.G.Fedurin, V.V.Repkov, G.V.Karpov, S.V.Khruschev, G.N.Kulipanov, M.V.Kuzin, V.K.Lev, N.A.Mezentsev, V.A.Shkaruba, Superconducting wave length shifters and multipole wigglers developed in Budker INP. Proc. of Second APAC -2001, Beijing, China.

4. A.Ando, ABatrakov, D.Berger, V.Borovikov, S.Date, B.Diviacco, VJDjurba, M.Fedurin, M.Hara, H.Kamitsubo, G.Karpov, S.Khrushchev,

C.Knapic, D.Kraemer, G.Kulipanov, N.Kumagai, E.Kuper, M.Kuzin, V.Lev, A.Medvedko, N.Mezentsev, E.Miginsky, Y.Miyahara, T.Nakamura, H.Ohkuma, V.Repkov, D.Richter, F.Schaefers, M.Scheer, K.Soutome, V.Shkaruba, A.Skrinsky, V.Syrovatin, M.Takao, H.Tanaka, V.Tsukanov,

D.Zagrando, R.Walker, E.Weihreter. Superconducting magnet systems of Budker INP for generation of syncrotron radiation. Доклад на втором международном рабочем совещании по сверхпроводящим вставным устройствам в Гренобле (Франция).

5. A.M. Batrakov, Е.А. Bekhtenev, I.V. Ilyin, S.V. Khruschev, G.N. 1 Kulipanov, M.V. Kuzin, N.A. Mezentsev, E.G. Miginskaya, V.V. Repkov,

V.A.Shkaruba, V.M. Tsukanov, D. Zangrando, B. Diviacco and C. Knapic. Construction and tests of the 49-pole 3.5T superconducting wiggler for Elettra storage ring. Proc. of SRI-2003 (Сан-Франциско, США.

6. S.V. Khruschev, M.V. Kuzin, N.A. Mezentsev, E.G. Miginsky, V.V. Repkov, V.A.Shkaruba, V.M. Tsukanov. 7 Testa 17-pole superconducting wiggler for BESSY-II. Proc. of XVIII International Workshop on Charged Particle Accelerators (Алушта, 2003 г.).

Хрущев Сергей Владимирович

Сверхпроводящий 17-полюсный вигглер с полем 7 Тесла для генерации синхротронного излучения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 29.10.2003 г. Подписано к печати 30.10.2003 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1,1 печ.л., 0,9 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 73

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

Р 1903 5

Введение

1. ОБЗОР ВСТАВНЫХ УСТРОЙСТВ

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПРОТОТИПА МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

3.1. Сверхпроводящие материалы.

3.2. Расчет магнитной системы для прямоугольного провода (в расчете на больший коэффициент заполнения). Обоснование выбора провода NbTi.

3.3. Технология намотки. Особенности технологии для прямоугольного провода.

3.4. Испытания прототипа. Решение переходить на круглый провод с изменением геометрических размеров системы.

3.5. Изготовление и испытание прототипа из круглого провода.

4. ПОЛНАЯ МАГНИТНАЯ СИСТЕМА ВИГГЛЕРА

4.1. Испытания вигглера в погружном криостате.

4.2. Испытания вигглера в собственном криостате. Система магнитных измерений.

4.3. Влияние вигглера на параметры электронного пучка.

4.3.1. Траектория и замкнутая орбита.

4.3.2. Фокусировка.

4.3.3. Измерение интегралов поля методом натянутой проволочки

5. СВОЙСТВА СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ВИГГЛЕРА

6. КРИОСТАТ

6.1. Конструкция криостата.

6.2. Наружный корпус криостата.

Щ 6.3. Гелиевый бак.

6.4. Медные экраны.

6.5. Измеритель уровня жидкого гелия.

6.6. Токовводы.

6.7. Изолирующий вакуум криостата. ф 6.8. Выпуск газообразного гелия.

6.9. Вакуумная камера.

6.10. Оценка теплопритоков.

В настоящее время для генерации синхротронного излучения на накопительных кольцах всё шире применяются так называемые вставные устройства. Применение вставных устройств позволяет улучшить параметры излучения по сравнению с излучением из поворотных магнитов. Данная работа посвящена созданию семнадцатиполюсного вигглера с периодом 148 мм и магнитным зазором 19 мм. При этом номинальное поле в медианной плоскости на тринадцати основных полюсах составляет 7 Тесла, а максимально достигнутое 7.45 Тесла. Устройство с такими характеристиками было создано впервые в мире. Основные параметры описываемого вигглера приведены в Табл. 1.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 45-ти наименований. Диссертация изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, графиков и фотографий, а также 1 таблицу.

Заключение.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. Произведен расчет конструкции обмотки и магнитной системы сверхпроводящего 17-полюсного вигглера.

2. Отработана конструкция медного лайнера в холодной вакуумной камере, что позволяет в будущем использовать холодную вакуумную камеру для сверхпроводящих магнитных систем с целью уменьшения межполюсного зазора.

3. Разработана конструкция системы бандажирования бронзовыми шпильками для многополюсных вигглеров.

4. Произведены испытания вигглера, в результате которых было достигнуто магнитное поле 7.45 Тесла на 13-ти основных полюсах.

Пользуясь случаем автор выражает благодарность Н.А.Мезенцеву за руководство работой, за полезные советы и рекомендации, М.Г.Федурину за помощь в понимании тонкостей расчета сверхпроводящих магнитных систем, В.А.Шкарубе за плодотворные дискуссии, дружеское участие и здоровый оптимизм, В.Х.Леву за профессионализм и заинтересованный подход к конструированию магнитной системы, В.К.Журбе за работу по конструированию криостата, Ю.М.Колокольникову за творческий подход и высокий профессионализм при конструировании системы измерений,

B.Б.Хлестову за постоянную заботу и поддержку в работе, В.М.Боровикову и Д.А.Коршунову за высокий профессионализм и мастерство при изготовлении надежных источников питания, В.М.Цуканову, Е.А.Бехтеневу и Г.В.Карпову за создание систем магнитных измерений, Е.Г. Мигинской и М.В.Кузину за создание программного обеспечения, В.В.Репкову за создание различных систем контроля и управления, Б.В.Бобылеву, Э.А.Дизендорфу, С.П.Демину, И.Б.Гургуце, А.И.Поздееву,

C.Т.Скоропупову, Ю.А.Тойкичеву, М.Ю.Сергееву и Ю.В.Ногих за надежное техническое обеспечение работы, Ю.В.Кузьмицкому и В.А.Спрыгину за бесперебойное обеспечение экспериментов жидким гелием.

1. Брехна Г., Сверхпроводящие магнитные системы, М., Мир, 1976.

2. В.Б.Зенкевич, В.В.Сычев. Магнитные системы на сверхпроводниках, М., Наука, 1972.

3. В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел. Теплопередача, М., Энергоиздат, 1981.

4. Г.Н.Кулипанов, А.Н.Скринский. Использование синхротронного излучения — состояние и перспективы. УФН, т. 122(3), 1977, стр.309.

5. Б.З.Персов. Основы проектирования экспериментальных физических установок. НГУ, Новосибирск, 1993.

6. И.М.Тернов, В.В.Михайлин, В.Р.Халилов, Синхротронное излучение и его применения. М., МГУ, 1980.

7. М.Уилсон, Сверхпроводящие магниты, М., Мир, 1995.

8. С.Фонер, Б.Шварц, Металловедение и технология сверхпроводящих материалов, М., Металлургия, 1987.

9. Bekhtenev E., Dementiev E., Fedurin M.G., Mezentsev N.A., Shkaruba V.A., Vobly P.D., Measurement of magnetic field characteristics of wigglers with the current strained wire method. NIM, Vol.A405, No.2,3 (1998), p.214-219.

10. Borovikov V., Craft В., Fedurin M., Jurba V., Khlestov V., Kulipanov G., Li O., Mezentsev N., Sail V., Shkaruba V., Superconducting 7 Tesla wiggler for LSU CAMD. Journal of Synchrotron Radiation (1998), Vol.5, Part 3, p.440-442.

11. Borovikov V.M., Djurba V.K., Fedurin M.G., Kulipanov G.N., Lee O.A., Mezentsev N.A., Shkaruba V.A., B.Craft, V.Saile, Proposal of superconducting 7 Tesla wiggler for LSU-CAMD. NIM, Vol.A405, No.2,3 (1998), p.208-213.

12. V.M.Borovikov, V.K.Djurba, M.G.Fedurin, V.V.Repkov, G.V.Karpov,

13. G.N.Kulipanov, M.V.Kuzin, N.A.Mezentsev, V.A.Shkaruba, D.Kraemer,

14. D.Richter, Superconducting 7 Tesla Wave Length Shifter for BESSY-II. tb

15. Proc.of 7 International conference of Synchrotron Radiation Instrumentation, Berlin, 2000.

16. Borovikov V., Fedurin M., Kerginsky A., Kuzin M., Mezentsev N., Shkaruba V., Magnetic measurement system for high field magnets. Journal of Synchrotron Radiation (1998), Vol.5, Part 3, p.382-385.

17. Borovikov V.M., Fedurin M.G., Mezentsev N.A., Shkaruba V.A., Sukhanov S.V. and Vobly P.D., Power supply and quench protection system for a superconducting 7.5 Tesla wiggler. NIM Vol. A359, No. 1-2 (1995), p.107-109.

18. A.Devred, Review of superconducting storage-ring dipole and quadrupole magnets, CERN Accelerators School General Accelerator Physics Course, 1997.

19. Dubrovin A., Simonov E., MERMAID, computer code for magnetic field computation. Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, (1993).

20. P.Elleaume, Proc.1991 US Particle Accelerator Conference, IEEE 91CH3038-7, p.1083.

21. Fedurin M., Kulipanov G., Mezentsev N., Shkaruba V. Superconducting high-field three-pole wigglers in Budker INP. NIM A 448 (2000), p.51-58.

22. J.T.Eriksson, L.Kettunen, R.Mikkonen, L.Soderlund, A high field superconducting wiggler for MAX-lab at Lund, Sweden. IEEE Transactions on magnetics, vol.28, No.l, January 1992.

23. Grudiev A.V., Djurba V.K., Kulipanov G.N., Khlestov V.B., Mezentsev N.A., Ruvinsky S.I., Shkaruba V.A., Sukhanov S.V., Vobly P.D., Y.M.Koo, D.E.Kim and Y.U.Sohn, Superconducting 7.5 Tesla wiggler for PLS. NIM, Vol. A359, No. 1-2 (1995),p.l01-106.

24. A.Grudiev, M.Rojak, E.Shurina, Yu.Solovejchik, M.Tiunov, P.Vobly, MASTAC — new code for solving three-dimentional nonlinear magnetostatic problems. Proc. of the IEEE Particle Acceleration Conference, Dallas, USA, 1995.

25. H.G.Hereward, CERN AR/Int. SR/61-15 (1961).

26. A.Hofmann, LEPNote 192 (1979).

27. A.Hofmann et al., Proc.6th Int. Conf. High Energy Accelerators, Cambridge, 1967, p. 123.

28. J.MJowett, Proc. 12th Int. Conf. High Energy Accelerators, Fermilab, August 1983, p.300.

29. Kazuhito Ohmi, Takashi Nogami, Yasuo Fukushima, Masahiro Katoh, Tatsuya Yamakawa, Characteristics of the five-pole superconducting vertical wiggler at the Photon Factory. Rev.Sci.Instrum.63(l), January 1992, p.301-304.

30. Kulipanov G.N., Mezentsev N.A., Morgunov L.G., Sadjaev V.V.,Shkaruba V.A., Sukhanov S.V., Vobly P.D., Development of superconducting compact storage ring for technical purposes in the USSR. Rev. Sci. Instrum. 63(1), 1992, p.731-736.

31. D.C.Larbalestier and P.J. Lee, New development in niobium titanium superconductors, Proceedings of the 1995 IEEE Particle Accelerator Conference, IEEE catalogue 95CH35843: 1276-1281, 1996.

32. M.Negrazus, A.Peters, SAW a superconducting asymmetric multipole wiggler at the DELTA storage ring. Proc.of EPAC-96.

33. J.M.Paterson, J.R.Rees and H.Wiedemann, SPEAR-186, PEP-125, July 1975.

34. K.W.Robinson, Phys.Rev.l 11(1958), 373.

35. John Ross, Kevin Smith, Design and manufacture of a 6-T wiggler magnet for the Daresbury SRS. Rev.Sci.Instrum.63(l), January 1992, p.309-312.

36. J.Rossbach and Schmuser, CERN Accelerators School 5th General Accelerator Physics Course, CERN 94-01, p. 17.

37. A.A.Sokolov and I.M.Ternov, Synchrotron Radiation, (Pergamon Press, 1968).

38. R.P.Walker, CERN Accelerator School 5th General Accelerator Physics Course, CERN 94-01, p.481.

39. Список работ, опубликованных по теме диссертации:

40. А.М.Батраков, Е.А.Бехтенев, В.М.Боровиков, В.К.Журба, М.Г.Федурин,

41. В.В. Репков, Г.В.Карпов, С.В.Хрущев, Г.Н.Кулипанов, М.В.Кузин, В.К.Лев,

42. D.Richter, F.Schaefers, M.Scheer, K.Soutome, V.Shkaruba, A.Skrinsky, V.Syrovatin, M.Takao, H.Tanaka, V.Tsukanov, D.Zagrando, R.Walker,

43. E.Weihreter. Superconducting magnet systems of Budker INP for generation of syncrotron radiation. Proc. of Second Superconducting Insertion Devices Workshop (Гренобль, Франция).

44. S.V. Khruschev, M.V. Kuzin, N.A. Mezentsev, E.G. Miginsky, V.V. Repkov, V.A.Shkaruba, V.M. Tsukanov. 7 Tesla 17-pole superconducting wiggler for BESSY-II. Proc. of XVIII International Workshop on Charged Particle Accelerators (Алушта, 2003 г.).