Сверхпроводящий поворотный магнит с полем 9 тесла для накопителя BESSY-2 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

ЗОЛОТАРЕВ Константин Владимирович

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПОВОРОТНЫЙ МАГНИТ С ПОЛЕМ 9 ТЕСЛА ДЛЯ НАКОПИТЕЛЯ ВЕ88У-2

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК - 2005

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

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Мезенцев

Николай Александрович

- доктор физико.-математических наук, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск. ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Салимов

Рустам Абельевич

Ширков

Григорий Дмитриевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

доктор технических наук наук, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

доктор физико-математических наук, Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна.

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

Защита диссертации состоится «__»_2005 г

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

Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090. Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11.

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

Автореферат разослан: «_»__2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

1С 50

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Синхротронное излучение (СИ) активно используется во многих исследовательских направлениях современной науки. Основной интерес к использованию СИ в первую очередь определяется его уникальными свойствами и возможностями реализации некоторых аналитических методик практически невозможных без использования СИ. В рентгеновском диапазоне (А,~0.1-10 А) СИ является безусловным лидером по яркости и интенсивности по сравнению с другими источниками.

Среди различных направлений эволюции методов с использование СИ можно выделить все более возрастающий интерес к использованию излучения с достаточно жестким спектром. Поэтому сдвиг спектра СИ в жесткую область без ухудшения других параметров источника является актуальным.

Характерная энергия квантов СИ определяется двумя основными параметрами: энергией электронов и величиной магнитного поля в точке излучения. Одной из тенденций при проектировании новых накопителей -источников СИ является увеличение энергии электронов. Однако, это дорогой способ решения проблемы. Более простым и дешевым способом получения жестких фотонов СИ является использование магнитных систем с высоким значением поля.

В качестве сильнополевых генераторов СИ обычно используются устройства со знакопеременным продольным профилем поля - вигглеры (от английского "\viggler"). Поворотные магниты накопителя не позволяют получать жесткое СИ ввиду достаточно низкого магнитного поля (обычно не выше 2 Тл). Использование сверхпроводящих поворотных магнитов (СПМ), позволяет существенно увеличить число каналов вывода СИ с жестким спектром. В этом случае возможны два варианта примения СПМ:

• модернизация уже существующих источников СИ путем замены обычных поворотных магнитов на СПМ;

• создание специализированных компактных накопителей, в которых количество СПМ в магнитной структуре является преобладающим. Компактные накопители могут стать основой небольших центров

использования СИ при университетах, специализированных медицинских клиник, промышленных предприятий и т.п._

«»С НАЦИОНАЛЬНА» БИБЛИОТЕКА

Цель работы

Целью работы было создание прототипа сверхпроводящего поворотного магнита с рекордным уровнем поля (9 Тл) для накопителя ВЕЯЯУ-2 (Берлин, Германия), позволяющего сдвигать спекгр излучения в коротковолновую область и, тем самым, увеличить общее количество каналов вывода СИ с достаточно жестким спектром.

Данный прототип был разработан и изготовлен в Институте ядерной физике им.Будкера СО РАН и передан заказчику в 2004 году.

Научная новизна

1. Создан прототип сверхпроводящего поворотного магнита, для генерации жесткого синхротронного излучения с рекордным для подобных систем полем - 9 Тл.

2. Разработана технология создания таких магнитов.

3. Предложен варяант построения компактного специализированного накопителя на подобных магнитах для промышленных применений. Оценены основные потребительские параметры предлагаемого накопителя (спектр СИ, эмиттанс, энергетический разброс в пучке и размер источника, цена и возможность уменьшения стоимости всего комплекса).

Практическая значимость работы

Разработан и изготовлен прототип СПМ, элемент основной магнитной системы для накопителя ВЕ58У-2, основным назначением которого является генерация жесткого рентгеновского излучения. При замене нескольких стандартных поворотных магнитов на сверхпроводящие, спектр СИ существенно сдвигается в коротковолновую область практ тески без существенных изменений параметров электронного пучка, что позволяет безболезненно увеличивать количество каналов СИ с жестким спектром. Подобная модификация некоторых существующих накопителей -источников СИ является экономически эффективным решением, позволяющим продлить эксплуатацию.

Кроме того, как отмечалось выше, на основе подобных магнитов, возможно построение компактных накопителей для промышленных и исследовательски): приложений. Высокая стоимость магнитной системы такого накопителя по сравнению с подобными системами на обычных магнитах, может быть компенсирована общим удешевлением инфраструктуры комплекса определяемой уменьшением рабочей энергии электронного пучка. В первую очередь, такая экономия возможна за счет существенного упрощения системы инжекции и снижения требований к системе радиационной защиты накопителя.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. Создан сверхпроводящий поворотный магнит для накопителя-источника СИ ВБ88¥-2 с рекордно высоким уровнем магнитного поля (9 Тл) при межполюсном зазоре 46 мм, что не имеет аналогов в мире. Магнит позволяет организовать вывод жесткого СИ, по своим параметрам не уступающего излучению из специализированных устройств генерации СИ (сверхпроводящих вигглеров).

2 Разработана система магнитных измерений позволяющая получать грехмерные карты распределения магнитного поля для оценки неоднородностей последнего, а также для оценок вкладов мультииольных компонент в основное роле.

3 Произведена оценка изменений параметров электронного пучка в накопителе ВЕ88У-2 при замене нескольких регулярных поворотных магнитов на сверхпроводящие. Подтверждена возможность такой замены.

4. Рассмотрены основные схемы и структуры для создания компактных накопителей с использованием таких магнитов. Рассмотрены способы минимизации фазового объема электронного пучка в таких структурах, для достижения максимально возможных потребительских параметров генерируемых пучков СИ.

Апробация работы и публикации

ООсновные результаты диссертационной работы докладывались на семинаре в Институте ядерной физики им.Будкера СО РАН и на следующих конференциях: АРАС-2004 (Поханг, Корея), АБШ? (Сага, Япония), СИ-2004 (Новосибирск), 1ШРАС-2004 (Дубна) и были опубликованы в виде 3-х статей.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 10 наименований, изложена на 96 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении объясняются мотивация создания сверхпроводящего поворотного магнита. Рассматриваются основные параметры пучков СИ из поворотных магнитов определяющие высокую потребительскую ценность данного вида излучения для прикладных исследований, В сравнении со сверхпроводящими вигглерами сверхпроводящие поворотные магниты имеют следующие преимущества:

Достаточно большая величина угла поворота электронного пучка в магните (около 10 градусов) позволяет достаточно просто организовать вывод нескольких каналов вывода СИ из одного магнита, в то время как, из вигглера затруднительно вывести даже два канала вывода СИ, так как угол отклонения пучка небольшой (порядка 10 мрад). Сверхпроводящие поворотные магниты, как генераторы СИ, также обладают существенным преимуществом, для тех эксперик ентов с использованием СИ, для которых существенен размер источника. Если в поворотном магните горизонтальный размер источника формируется прогибом орбиты в небольшой окрестности точки излучения, то в случае вигглеров, длина такой окрестности может быть сравнимой с длиной самого вигглера, и соответственно прогиб траектории оказывается существенно больше. Часто это выражается в появлении второго источника, пространственно и спектрально разнесенного с основным. Для удаления второго источника, приходится производить достаточно сложные конструктивные изменения конструкции канала вывода.

Обычно вигглеры устанавливаются в прямолинейных секциях накопителей, в то время, как порты вывода СИ из них находятся возле концов этих секций после поворотных магнитов. Поэтому, если в качестве генератора СИ используется поворотный магнит, то источник СИ приближается к пользователю, по крайней мере, на половину длину прямолинейной секции.

На существующих накопителях, использование сверхпроводящих поворотных магнитов для генерации жесткого СИ позволяет перенести пользовательские станции, использующие такое СИ на каналы вывода из этих магнитов, при этом возможно освободить дефицитные прямолинейные промежутки накопителя, например для установки в них ондуляторов.

Слабыми сторонами такого подхода являются высокая стоимость подобных систем, по сравнению с обычными поворотными магнитами, а также высокие требования к надежности, так как поворотный магнит является элементом основной магнитной системы накопителя и функционирование всего накопителя невозможно при выходе из строя одного из поворотных магнитов.

Также, во введении приводится постановка задачи по созданию сверхпроводящего поворотного магнита с полем 9 Тл для накопителя ВЕ88У-2, формулируются основные требования к системе в целом. Основные требования к магниту собраны в таблице 1.

В первой главе дается подробное описание магнитной системы, описываются способы магнитостатических расчетов, способы оптимизации конструкции обмоток и технология изготовления всей системы

Таблица 1. Основные требования к параметрам магнита.

Ориентация поля_____ __

| Тип магнита _____

! Краевойугол _

' Номинальное пиковое значение поля на

1 оси В0

|

; Рабочее поле В0_____

' Поперечная однородность поля

вертикальное

гомогенный дипольный секторный 1.3 градуса __________________

Вертикальная однородность поля

; Эффективная магнитная длина при | значениях поля от 3.5 Тл до 9 Тл

Максимальное остаточное поле за

9.0 Тл (должно быть продемонстрировано во время

приемочных испытаний) _____

от 3.3 до 8.5 Тл ________

; АВ2/В0 < ±0.05% при Дз<± 10 мм | вдоль траектории электронного

[пучка__________

! ДВ/В0 < ±1.0% при Аг = < ± 10 мм по всей траектории _ 0.1777 ± 0.001 м для всех значений

поля__________

< 10"2 Тл " —

пределами криостата

Время подъема поля от 0 до 9 Тл < 15 мин !

Время подъема поля от 0 до 7 Тл < 5 мин 1

скорость испарения жидкого гелия < 1 л/ч !

Полезное время между заправками жидкого гелия > 170 ч !

Угол поворота 11.25 градусов

Поперечное сечение вакуумной камеры 75 мм по горизонтали |

Радиус поворота траектории

Максимальные возможные габариты магнита вдоль траектории пучка

Размер доступного пространства в месте установки магнита в поперечном к траектории направлении _________

0.905 м 460 мм

±400 мм

Магнитная система включает в себя магнитные полюса, сверхпроводящие обмотки, бандаж и ярмо. Основные параметры магнитной системы представлены в таблице 2.

Полюса изготовлены из сплава А11МСО. Имеют овальную форму. Краевой угол полюсов составляет 1.3 градуса (с каждой стороны), для обеспечения небольшой краевой фокусировки в горизонтальной плоскости.

На рисунке 1 показано сечение обмоток магнита, а в таблице 3 основные параметры этих обмоток. Всего имеется 4 обмотки, две первые намотаны сверхпроводящим №38п проводом с различным содержанием сверхпроводящего материала в медной матрице. Третья обмотка выполнена

более дешевым проводом на основе №11 Четвертая обмотка содержит такой же провод, как и третья, и является корректирующей (для выравнивания магнитных интегралов в случае использования нескольких магнитов подобного типа). Пятая бандажная пассивная обмотка произведена струной из нержавеющей стали и служит для предотвращения расширения обмоток во время наличия в них магнитного поля. Обмотки, во время намотки, пропитываются эпоксидным компаундом, и после этого запекаются.

_____L20C___

Рис. 1. Сечение магнита в медианной плоскости.

Выбор материалов обмоток, так и само секционирование производилось на основании критических значений плотности тока для реальных уровней магнитного поля в области обмоток. Распределение магнитного поля находились на основании произведенного трехмерного магнитного расчета методом конечных элементов.

Дополнительное сжатие обмоток создается бандажными кольцами. Кольца изготовлены из меди и надеваются на обмотки. В каждом кольце имеется 150 резьбовых отверстий, в которые закручиваются болты создающие дополнительное механическое напряжение сжатия обмоток. Болты закручиваются динаметрическим ключом, что обеспечивает создание равномерного поля напряжений.

Ярмо служит для замыкания магнитного потока и изготовлено из сплава ARMCO. Ярмо имеет цилиндрическую форму, заполняет практически весь

внутренний объем нижнего криостата. Большая часть холодной массы системы приходиться на ярмо.

При поле 9 Тл в межполюсном зазоре магнита полюса находятся в насыщенном состоянии, что сказывается на нелинейности величины поля в зависимости от поданного в обмотки тока. Кроме того, за счет рассеянных полей в области орбиты появляется легкая зависимость магнитной длины от величины установленного поля. Магнитная длина может меняться на 2.5 мм (при средней величине 178 мм), что вполне допустимо.

¿/43

Во второй главе представлено описание и основные конструктивные особенности криостата, который был специально спроектирован для обеспечения температуры жидкого гелия на сверхпроводящих обмотках магнита.

Криостат состоит из двух больших частей: верхнего криостата, который, в основном, является резервуаром для хранения некоторого запаса жидкого гелия, и нижнего криостата, где и заключен сам сверхпроводящий магнит в сборе. Общий вид криостата в сборе представлен на рис. 2.

Верхний криостат имеет вид вертикального цилиндра, внутрь которого вставлены цилиндрический гелиевый объём на 220 литров жидкого гелия и тепловые экраны. В собранном виде с нижним криостатом он устанавливается на горизонтальный верхний фланец нижнего криостата, образуя общий изоляционный вакуумный объём, гелиевые объёмы криостатов также соединяются, используя индиевое уплотнение, а также соединяются соответствующие тепловые экраны. Для охлаждения тепловых экранов используются холодильные машины (кулеры), изготовляемые фирмой ЬеуЬоМ, которые монтируются на верхнем криостате.

Верхний криостат используется также для выхода газового гелия, испарившегося в криостатах, для заливки жидкого гелия и для ввода тока в сверхпроводящий магнит.

Тоководы состоят из 3-х частей и соединяют источник питания со сверхпроводящим магнитом. Теплая часть токовода изготовлена из двух латунных стержней длиной 0.54 м с оптимизированными сечениями (240 мм2), которые проходят из атмосферы внутрь внешнего корпуса верхнего криостата через специальное вакуумное уплотнение и проходя через изоляционный вакуум. На расстоянии 2/3 длины тоководов сделан тепловой контакт с экраном 60К для снятия потока тепла (около 7 Ватт на каждый токовод), которое образуется за счёт теплопроводности стержней и тепла, выделяемого при протекании тока. В вакууме тёплый токовод соединён с тоководом из ВТСП и это соединение поддерживается при температуре 20 К с помощью тепловода, подсоединённому к экрану 20 К и отводящего около 3 ватт с каждого токовода. Второй конец ВТСП токовода подсоединён к керамическому вакуумному вводу, который соединяет вакуумный объём с гелиевым баком. Со стороны гелиевого бака к вакуумному вводу через гибкий контакт подсоединён латунный стержень с впаяттым в него ниобий-титановым сверхпроводящим проводом.

Теплоприток по ВТСП тоководу в гелиевый объём оценивается в 0.07 Ватт. При протекании тока в 300 А на соединении нижнего конца токовода выделяется дополнительно 0.03 Ватт. Общий теплоприток в гелиевый объём за счёт тоководов оценивается 0.2 Ватт или 0.28 литра/час скорости испарения гелия.

Нижний криостат представляет собой горизонтальный цилиндр, у которого боковые фланцы вогнуты внутрь и развёрнуты в горизонтальном направлении на угол 11.25 градуса (угол поворота электронного пучка в магните). Он также как и верхний криостат состоит из гелиевого бака, тепловых экранов с температурами 20 К и 60 К и внешнего корпуса. Внутри гелиевого бака размещён сверхпроводящий магнит с обмотками и ярмом По оси цилиндра вакуумного бака вварена труба из нержавеющей стали, в которую вкладываются медный трубчатый 60 К экран и вакуумная камера комнатной температуры. Вакуумная камера соединяется с вакуумной камерой накопителя и является дорожкой для электронного пучка накопителя.

Изоляционный вакуум в криостатах поддерживается на уровне 10"*- 10~7 Topp магниторазрядным насосом на 300 л/с фирмы Varían.

Относительное положение магнита и вакуумной камеры регулируется с помощью с помощью специальной системы подвесок. Слежение за температурой во время различных режимов работы магнита проводится с помощью 16 температурных датчиков, размещённых в различных частях магнита, криостатов и экранов.

В третьей главе приводятся результаты испытаний магнитной системы, проведенных на различных этапах ее изготовления, а так же схема подключения источников питания магнита и система защиты обмоток от срывов сверхпроводимости.

Для проведения магнитных измерений было изготовлено специальное приспособление, позволяющее производить измерения поля в большом количестве точек вакуумной камеры магнита. Измерения производятся пятью датчиками Холла. Датчики установлены на специальную пластину

* вдоль прямой линии с шагом 8 мм. Пластина, в свою очередь, вставляется в специальную каретку позволяющую перемешать датчики вдоль вакуумной камеры. Пластина может фиксироваться в каретке на 6 позициях по

^ вертикали с шагом 2 мм, для того чтобы производить измерения распределения поля и позволяет изменять ориентацию расположения массива датчиков с поперечной на продольную. В продольной ориентации, датчики располагаются вдоль траектории электронного пучка, что необходимо для проведения взаимной калибровки датчиков при подготовки к рабочему циклу измерений.

При проведении измерений, каретка перемещается вдоль вакуумной камеры с шагом 1 или 2 мм с помощью шагового двигателя, управляемого компьютером. Тем самьм, производится регистрация двумерной карты распределения поля в окрестности траектории пучка в горизонтальной плоскости. Повторные проходы с установкой измерительной пластины в позиции с различными вертикальными координатами, позволяют регистрировать трехмерную карту распределения полей.

Измерения производились на четырех, предусмотренных контрактом, уровнях поля: 3.3, 6.3, 7.0 и 8.47 Тл. В каждом цикле проводилось 6 проходов каретки для измерения распределения поля вдоль вакуумной камеры на разных уровнях по вертикали. Также делался седьмой проход с продольным расположением датчиков для осуществления их взаимной калибровки. Измерения при продольном расположении датчиков, также, использовались для уточнения взаимного расположения датчиков.

Получаемые в результате этих измерений профили обрабатывались следующим образом. Под экспериментальные данные, методом наименьших квадратов, подгонялась параметрическая кривая, позволяющая точно

> оценить параметры профиля (амплитуду, положение максимума, асимметрию и т.п. Такая процедура позволяла ослабить влияние измерительных шумов на оценку параметров.

• Параметрическая кривая определялась следующим образом:

■е1Т у-(с+и>) +1 + Ь

1 )

где V - уровень сигнала с датчика [мВ], у - текущая ордината точки измерения [мм], А - максимальная амплитуда сигнала [мВ], с - координата

центра профиля [мм], w - ширина профиля на полувысоте [мм], ^ - ширина левого склона профиля [мм], - ширина правого склона [мм], Ь - уровень

о *

сигнала с датчика при нулевом поле [мВ], стТ(х)=-~ IV'2 Л ~ Функция

о

ошибок.

Для каждого профиля вышеотмеченные коэффициенты подбираются из соображений минимизации среднеквадратичной разницы между измеренным профилем и данной функцией. Подгонка производится классическим алгоритмом Маркуарда-Левенберга (МащиапЙ-ЬеуепЬе^), сочетающим в себе быструю сходимость и устойчивость (робастность).

Относительная точность восстановления амплитуды профилей была не хуже АА/А~ЗЛОа, а геометрическая точность определения центра профиля не

Рис. 3. Продольные профили распределения магного поля для различных величин выставленного поля.

Оцененные с помощью нелинейной процедуры подгонки коэффициенты для разных датчиков Холла при сканировании с продольным расположением датчиков использовались в последствии для измерений при погеречном расположении датчиков.

Пример результатов измерения показан на Рис. 3. Отсутствие участков однородного поля является следствием малой магнитной длины.

X(mm

10 0 10 2 0 2 4 6

К, mm Z, mm

Рис. 4. Трехмерное распределение магнитного поля в центре магнита (Я„=8.47 Тл).

На Рис. 4 показано трехмерное распределение магнитного поля в окрестности центра магнита. Данные получены в результате компиляции результатов отдельных измерительных проходов, в которых пластина с датчиками устанавливалась на разных высотах в вакуумной камере. Данные позволяют оценить поперечные неоднородности поля и локальный вклад мультипольных компонент в дипольное поле магнита. Такие оценки были сделаны н результаты оценок не противоречат контрактным требованиям.

В четвертой главе приводится оценки изменений основных параметров электронного пучка при замене штатных магнитов на предлагаемые на накопителе BESSY-2. Рассмотрены основные варианты таких замен.

Источник синхротронного излучения BESSY-2 обладает 8-кратной симметрией. Каждый элемент периодичности (суперпериод) состоит из двух периодических секций, у которых значения вертикальной и горизонтальной ß-функций в прямолинейных промежутках меняются местами.

Периодическая секция, в свою очередь, представляет собой DBA структуру (Double Bend Achromat) и имеет два поворотных магнита, каждый из которых делает поворот пучка на 11.25 градуса. Общее количество магнитов в накопителе равно 32.

Чтобы не возникало опасных целых или полуцелых резонансов и чтобы не было существенного нарушения симметрии количество одновременно

заменяемых магнитов должно быть не меньше 4 (и кратно 4). При замене сверхпроводящие магниты должны быть равномерно распределены по всему кольцу.

В работе рассматривается случай замены третьего магнита в каждом втором суперпериоде на сверхпроводящий. Очевидно, что центр сверхпроводящего магнита должен находиться на том же азимуте, что и центр заменяемого, только в этом случае возможно согласованное сопряжение входной и выходной траекторий частиц с орбитой в накопителе. При этом геометрическое удлинение орбиты будет составлять 2 мм на каждый устанавливаемый магнит, может не приниматься в учет при полной длине орбиты 240 м.

Основной целью оптимизации такой замены служила минимизация изменений основной структуры кольца. Было показано, что необходимые изменение для компенсации замены магнитов можно ограничить изменением градиентов в 4-х квадрупольных линзах окружающих устанавливаемый магнит.

Поиск новых значений градиентов в квадрупольных линзах Ql - Q4 производился с помощью программы MAD-8. Модуль подгонки (Matching module) этой системы позволяет производить целевую оптимизацию параметров магнитной системы для достижения (или максимального приближения) цели. Целью данной подгонки служило нулевое значение дисперсионной функции во всем промежутке, за исключением участка между магнитами ахроматического поворота.

Результаты изменения основных параметров магнитной системы представлены в Табл.2.

Таблица 2. Изменения основных параметров накопителя ВЕББУ-П при установки сверхпроводящих магнитов.

Параметр Старое Новое

значение значение

Градиент линзы СП 1.4050 1.348017

Градиент линзы (¿1 -2.0149 -1 592696

Градиент линзы С>1 -1.8975 -1592361

Градиент линзы С>1 2.4519 2.413385

Горизонтальная частота <3* 17.825 17.844

Вертикальная частота 6.7241 6.7105

Равновесный горизонтальный эмиттанс е* 5.143 нм 11.54нм

Потери энергии за один оборот (без учета устройств для генерации СИ в прямолинейных промежутках) 172.5 кэВ 253.2 кэВ

Энергетический разброс АЕ/Е 4.534-Ю"4 6.212-Ю"4

Коэффициент уплотнения орбиты 7.21-Ю"4 6.41-10"4

Время затухания 19 мсек 12 мсек

Таким образом, можно видеть, что большинство из важных параметров пучка накопителя ВЕ88У-2 перетерпели незначительные изменения при замене четырех стандартных поворотных магнитов на сверхпроводящие.

По-видимому, наиболее важным недостатком новой схемы является почти двукратное увеличение эмиттанса пучка, однако новое значение остается в рамках определяемых для накопителей третьего поколения.

Следует также отметить, что после замены четырех стандартных магнитов ВЕБвУ-П сверхпроводящими, суперпериод ВЕББУ-П станет в 2 раза больше, то есть будет вюпочать в себя уже 4 ахроматических ячейки, одна из которых содержит сверхпроводящий магнит. Структура этого суперпериоаа и оптические функции в этом промежутке показаны на Рис.5. Симметрия накопителя уменьшится с 8-кратной до 4-хкратной.

BESSr-H m:h SuvcrbenJ Win32 ютит 6 51/!}

2*WKS 15504S

Рис. 5. Структура и оптические функции модифицированного суперпериода ВЕ88У-2.

На Рис 6 представлены спектры синхротронного излучения из обычных и свехпроводящих магнитов накопителя ВЕ88У-2.

Рис. 6. Спектры СИ из накопителя BESSY-И для обычного и сверхпроводящего магнитов.

В пятой главе предлагается вариант построения компактного специализированного накопителя для промышленных применений при использовании таких магнитов, оценены основные ускорительные и потребительские параметры, рассмотрены возможности снижения общей стоимости комплекса.

На основе проделанного анализа востребованных аналитических рентгеновских методик были сформулированы основные требования к системам подобного типа. Наиболее подходящей была выбрана схема магнитной структуры накопителя включающая в себя 4 сверхпроводящих < (у1 ол поворота 20°) и 8 теплых магнитов сверхпроводящих (угол поворота 35°).

*

Табл.3. Основные параметры компактного накопителя - источника СИ (требования).

Параметр Величина

Энергия электронов 1 - 1.5 ГэВ

Критическая энергия квантов СИ 8-10 кэВ для СИ из сверхпроводящих магнатов 1 -2 кэВ для пучков из обычных магнитов

Фазовый объем пучка 50- 100 нм-рад

Ток пучка 300-500 мА

Время жизни пучка 8-10 часов

Периметр орбиты 50 м

Размеры помещения для установки накопителя 20 х 20 м (без учета места необходимого для размещения пользовательских станций)

Основные параметры такой системы представлены в Табл.3, основные оптические функции накопителя представлены на Рис 7. Значение равновесного эмиттанса для данной структуры 20 нм.

Рис. 7. Оптические функции для возможной схемы компактного накопителя.

14

Полученный расчетный горизонтальный эмиттанс составляет 20 нмрад, что позволяет надеяться на то, что реально эмиттанс будет не хуже чем у специализированных накопителей-источников СИ второго поколения (те. меньше 100 нм рад).

В заключении приведены основные результаты работы, которые одновременно являются положениями, выносимыми на защиту.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. Создан прототип сверхпроводящего поворотного магнита, генератора СИ с рекордным для подобных систем полем - 9 Тл. Данный магнит может быть как ключевым элементом для создания компактных накопителей - источников СИ, так и для модернизации существующих накопителей - источников СИ второго и третьего поколения. По комбинации своих параметров данный магнит не имеет аналогов в мире. Разработана технология создания таких магнитов.

2. Рассмотрены способы замены стандартных магнитов накопителя BESSY-2 сверхпроводящими. Предложен способ настройки магнитной системы для минимизации последствий этой замены. Оценены последствия такого перехода.

3. Предаожен вариант построения компактного специализированного накопителя на подобных магнитах для промышленных применений. Оценены основные потребительские параметры предлагаемого накопителя.

4. Создана система магнитных измерений и произведен цикл измерений магнитного поля в системе. На основе полученных карт поля были оценены вклады мультипольных компонент в поле магнита. Также произведены оценки спектральных характеристик СИ из магнита.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. AM Batrakov, S V Khruschev, D Kraemer, G.N. Kulipanov, VH Lev, N A Mezentseva, EG Miginsky, VA Shkaruba, V.M Syrovatin, VM Tsukanov, V К Zjurba, К V Zolotarev Nine tesla superconducting bending magnet for BESSY-II, NIM A, 543 (2005) 35-41.

2. A J Ancharov, VB Baryshev, VA Chernov, A N Gentsele et al Status of the Siberian synchrotron radiation center, NIM A, 543 (2005) 1-13

3. A.N. Skrinsky, VN. Kor-chuganov, KV Zolotarev, NA Vinokurov, VI Kondratev, AD Oreshkov, N A. Mezentsev, V E. Panchenko, BP Tolochko, MA Sheromov, VA. Chernov, VF Pindyurin, GN Kulipano., Synchrotron radiation and free electron laser activities at SSRC, NIM A, 405 (1998), 179-190.

Золотарев Константин Владимирович

Сверхпроводящий поворотный магнит с полем 9 тесла для накопителя BESSY-2

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 17 05 2005 г Подписано к печати 18 05 2005 г Формат 60x90 1/16 Объем 1,0 печ л, 0,8 уч -изд л

__Тираж 100 экз Бесплатно Заказ 28_

Обработано на 1ВМ РС и отпечатано на ротапринте ИЯФ им Г И Будкера СО РАН, Новосибирск, 630090, пр Академика Лаврентьева, 11

№11418

РНБ Русский фонд

2006-4 7650

Постановка задачи.

1 Глава: Магнитная система.

1.1 Выбор геометрии магнитных элементов.

1.2 Секционирование обмоток.

1.3 Магнитное ярмо.

2 Глава: Криогенная система.

2.1 Верхний криостат.

2.2 Тоководы.

2.3 Нижний криостат.

3 Глава: Измерение магнитного поля.

3.1 Способы измерений.

3.2 Методы обработки измеренных данных.

3.2.1 Геометрическая коррекция.

3.2.2 Абсолютная и взаимная калибровка датчиков Холла.

3.2.3 Оценка локальных неоднородностей и локальных мультипольных моментов в распределении магнитного поля.

4 Глава: Влияние магнита на параметры электронного пучка в накопителе ВЕ88У-2.

ВЕ88У-П.

4.2 Параметры СИ из магнита.

5 Глава: Проект компактного накопителя для индустриальных применений.

Благодаря своим уникальным свойствам синхротронное излучение (СИ) является единственно возможным источником рентгеновского излучения для реализации большого множества исследовательских методик и для решения многих прикладных задач. К основным характеристикам, определяющим такой большой интерес к СИ можно отнести следующие параметры:

• высокая интенсивность (спектральная яркость источника и высокий поток рентгеновских фотонов);

• малая угловая расходимость;

• широкий спектр;

• поляризация;

• временная структура.

Эффективные реализации вышеупомянутых свойств, привели к возникновению большому количеству специализированных исследовательских методик, реализация которых практически невозможна без использования СИ. Это, в свою очередь, привело к созданию специализированных центров, в которых концентрируются научно-исследовательские ресурсы для проведения исследовательских работ с использованием СИ. Кроме того, в последнее время, все более актуальными

Ключевым элементом каждого центра СИ, естественно, является источник СИ - специализированный накопитель электронных (или позитронных) пучков. Принимая во внимание популярность таких исследований, количество таких накопителей растет очень быстро, и разработка таких комплексов является важной задачей. Особенно актуальным направлением является разработка компактных и относительно недорогих накопителей, которые могут устанавливаться в различных неспециализированных центрах: на производстве, в медицинских учреждениях, университетах и т.п.

Одним из способов создания таких накопителей, с достаточно высокой энергией электронов, является использование сверхпроводящих поворотных магнитов (СПМ), которые позволяют совместить достаточно высокую энергию электронов с небольшим периметром электронной орбиты и, соответственно, с компактностью получающейся машины [4].

Другим обстоятельством, обуславливающим интерес к разработке и изучению возможностей СПМ является тот факт, что часто актуальным вопросом в экспериментах с использованием СИ является энергия

Весьма эффективным способом повышения жесткости спектра синхротронного излучения уже существующих накопителей является постановка на них специальных устройств: вигглеров и ондуляторов, создающих на участке орбиты накопителя знакопеременное магнитное поле, позволяющее концентрировать в малый телесный угол излучение с достаточно большого участка траектории. Однако, часто использование таких устройств невозможно из-за некоторых особенностей требований к распределению магнитного поля вдоль замкнутой орбиты электронов в накопителе. В большинстве случаев, сама первоначальная конструкция накопителей должна предусматривать наличие достаточно длинных прямолинейных промежутков для установки в них вышеупомянутых устройств генерации СИ. Если такие участки предусмотрены первоначальной конструкцией накопителя, то они, как правило, уже заняты, первоначально предполагаемые устройствами, которые и предусматривались на стадии разработки накопителя.

Эффективным способом увеличения количества каналов вывода СИ с достаточно жестким спектром является замена штатных поворотных магнитов на СПМ, с более высоким значением магнитного поля.

Несмотря на большую цену, по сравнению с обычными магнитами, использование СПМ имеет множество преимуществ ставящих их в один ряд, по параметрам генерируемого излучения, со специализированными устройствами для генерации СИ, такими как сверхпроводящие однопериодные (или трехполюсные) вигглеры - шифтеры (от англ. shifters, wavelength shifters). Однако, и по сравнению с такими устройствами, СПМ тоже имеют некоторые конструктивные преимущества:

• большой угол поворота электронной орбиты в СПМ (около 10°) позволяет достаточно просто организовать несколько каналов вывода СИ, в то время как, в шифтерах угол отклонения орбиты, как правило, ограничивается 10 мрад («0.5°) что сильно затрудняет установку даже двух каналов;

• размер источника в СПМ определяется только размером электронного пучка, а при использовании шифтеров, горизонтальный размер источника определяется прогибом орбиты, что существенно больше. Если же ограничивать угловую ширину выходящих пучков СИ (ограничивать длину орбиты, на которой формируется излучение, попадающее канал вывода) то в шифтерах возникает проблема "второго источника", которая принципиально отсутствует в случае СПМ;

• обычно шифтеры располагаются в прямолинейных промежутках накопителей, а порты вывода излучения, после ближайших поворотных магнитов, отсюда можно сделать вывод, что в случае использования СПМ вместо обычного поворотного магнита, можно приблизить точку излучения к станции потребителя, по крайней мере, на половину длины прямолинейной секции накопителя;

• при использовании СПМ в качестве источников жесткого СИ, возможно, отпадет надобность в продолжении эксплуатации вигглеров (и шифтеров) установленных в прямолинейных секциях накопителей, освобождаемые при этом пространства могут быть использованы для установки ондуляторов, для проведения экспериментов в которых требуется высокая спектральная яркость источника или достаточно большие длины продольной или поперечной когерентности, спрос на которые увеличивается постоянно в последнее время;

• переход от обычных поворотных магнитов к СПМ позволяет максимально использовать уже существующую инфраструктуру накопителя, включая существующие каналы и порты вывода СИ.

К недостаткам СПМ по сравнению со специализированными генераторами СИ (insertion devices) можно отметить, существенно большие требования к надежности этих систем, т.к. они относятся к основным системам накопителя, и функционирование всего комплекса невозможно в случае выхода из строя одного из установленных на кольце СПМ.

Несмотря на это, модернизация некоторых существующих специализированных накопителей источников СИ второго и третьего поколения путем замены нескольких поворотных магнитов на СПМ, может существенно улучшить их потребительские характеристики и сделать их конкурентно способными еще на некоторое время. Удачным примером такой модернизации может служить установку СПМ с пиковым полем около 5 Тл на накопитель ALS (Брукхевен, США) [5] в 2000 г. Успешная эксплуатация таких систем на ALS, позволяет надеяться, что применение СПМ и на других накопителях является перспективным направлением.

Постановка задачи.

Данный СПМ предназначается для установки на специализированный накопитель BESSY-2 (Берлин, Германия) с энергией электронного пучка 1.9 ГэВ и током 0.5 А в качестве генератора синхротронного излучения с критической энергией квантов —10 КэВ.

При проектировании магнита необходимо было удовлетворить следующим требованиям:

1. Величина индукции магнитного поля в точке излучения должна быть не менее 8 Тл. Это требование определяется необходимой энергией квантов синхротронного излучения, которые должны генерироваться электронным пучком в магнитном поле магнита.

2. Магниты подобные этому должны быть включены в основную структуру накопителя, без существенных изменений основных параметров электронного пучка. Это требование и определяет большую часть основных параметров магнита, которые приведены в Табл. 1. Данные таблицы приведены из текста контракта [6].

3. Так как подобные магниты должны стать элементами основной магнитной системы накопителя, возникают предельно-повышенные требования к надежности системы в целом. Помимо этого имеет место требование к максимальному времени работы между заливками жидкого гелия. Стандартный режим работы накопителя ВЕ88У-2 предусматривает еженедельную остановку для проведения профилактических работ и заливке жидкого гелия в различные криогенные системы. К данному циклу должны быть привязаны и смены гелия в описываемом магните. Соответственно, объем резервуара для жидкого гелия и расход гелия должны соответствовать изложенным требованиям.

4. Габариты магнита, как системы в целом, должны быть вписаны в реальное свободное пространство поворотной секции накопителя ВЕ88У-2 без каких-либо значительных изменений конструкции накопителя. 5. Также в тексте контракта задаются достаточно жесткие требования к величине мультиплольных моментов присутствующих в магнитном поле магнита.

Основные требования к магниту, определяемые заказчиком представлены в Табл. 1.

Табл. 1. Основные требования к параметрам магнита.

Ориентация поля вертикальное

Тип магнита гомогенный дипольный секторный

Краевой угол 1.3 градуса

Номинальное пиковое значение поля 9.0 Тл (должно быть на оси В0 продемонстрировано во время приемочных испытаний)

Рабочее поле В0 от 3.3 до 8.5 Тл

Поперечная однородность поля ДВ/В0 < ±0.05% при Аб < ± 10 мм вдоль траектории электронного пучка

Вертикальная однородность поля ДВ2/Во < ±1.0% при Дг = < ± 10 мм по всей траектории

Эффективная магнитная длина при 0.1777 ± 0.001 м для всех значений значениях поля от 3.5 Тл до 9 Тл поля

Максимальное остаточное поле за < 10"2 Тл пределами криостата

Время подъема поля от 0 до 9 Тл < 15 мин

Время подъема поля от 0 до 7 Тл < 5 мин скорость испарения жидкого гелия < 1 л/ч

Полезное время между заправками > 170 ч жидкого гелия

Угол поворота 11.25 градусов

Поперечное сечение вакуумной 75 мм по горизонтали камеры 30 мм по вертикали

Радиус поворота траектории 0.905 м

Максимальные возможные габариты 460 мм магнита вдоль траектории пучка

Размер доступного пространства в ±400 мм месте установки магнита в поперечном к траектории направлении

Высота тоннеля накопителя 2800 мм

Высота медианной плоскости 1400 мм накопителя от пола тоннеля

Заключение

1. Создан прототип сверхпроводящего поворотного магнита, генератора СИ с рекордным для подобных систем полем - 9 Тл. при температуре магнита 4.2К. Данный магнит может быть как ключевым элементом для создания компактных накопителей -источников СИ, так и для модернизации существующих накопителей - источников СИ второго и третьего поколения. По комбинации своих параметров данный магнит не имеет аналогов в мире. Разработана технология создания таких магнитов .

2. Рассмотрены способы замены стандартных магнитов накопителя ВЕ88У-2 сверхпроводящими. Предложен способ настройки магнитной системы для минимизации последствий этой замены. Оценены последствия такого перехода.

3. Предложен вариант построения компактного специализированного накопителя на подобных магнитах для промышленных применений. Оценены основные потребительские параметры предлагаемого накопителя (спектр СИ, эмиттанс, энергетический разброс в пучке и размер

4. Создана система магнитных измерений и произведен цикл измерений магнитного поля в системе. На основе полученных карт поля были оценены вклады мультипольных компонент в поле магнита. Также произведены оценки спектральных характеристик СИ из магнита.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность Н.А.Мезенцеву, без руководства, поддержки и постоянной заботы которого, данная работа просто не могла бы появиться, Г.Н.Кулипанову за интерес и постоянное внимание к данной работе, В.А.Шкарубе за ценные дискуссии и дружеское участие, В.М.Цуканову за большую и квалифицированную помощь в проведении экспериментальных изменений, Е.Г.Мигинской за создание надежного и удобного программного обеспечения для управления системой и проведения измерений, В.К.Журбе, В.Х.Лев, В.М.Сыроватину за творческий подход и высокий профессионализм при конструировании различных систем вигглера, В.Б.Хлестову за постоянную заботу и поддержку в работе, М.В.Кузину за большую помощь в оформлении и поддержку, В.В.Репкову и А.М.Батракову за создание различных электронных систем контроля и управления, С.П.Демину, И.Б.Гургуце, А.И.Поздееву, Ю.А.Тойкичеву, Ю.В.Ногих, М.Ю.Сергееву и С.Т.Скоропупову за надежное техническое обеспечение работы и дружеское участие, С.В.Хрущеву за помощь в проведении магнитных расчетов, В.А.Чернову за помощь в работе и за моральную поддержку.

1. 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 5. D. Robina, J. Krupnicka, R. Schluetera, C. Steier et al, Superbend upgrade on the Advanced Light Source, NIMA 538 (2005) 65-92.

2. Contract of Manufacture and Delivery of a 9 Superconducting Bending Magnet for the BESSY II Storage bling, BESSY, Berlin, 2001.

3. Grote, H. Iselin, F. С (1996). MAD Users Reference Manual. Version 8.19.CERN SL/90±13 (AP) (Rev. 5). CERN, Geneva, Switzerland. 9. Jim Murphy, Synchrotron Light Source Data Book, NSLS/BNL, Version 4, May 1996. lO.X-ray Data Booklet, LBNL/PUBX-ray Data Booklet, LBNL/PUB-490, Rev.2, Jan. 2001.