Сверхпроводящий трехполюсный генератор синхротронного излучения с полем 7,5 Тл и фиксированной точкой излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение.

Обзор.

Постановка задачи.

1 Магнитная система вигглера.

1.1 Выбор геометрии магнитной системы.

1.2 Центральный полюс вигглера.

1.2.1 Выбор сверхпроводящего провода.

1.2.2 Выбор величины межполюсного зазора.

1.2.3 Выбор формы обмотки и оптимизация запитывающих токов для получения максимального поля.

1.2.4 Секционирование и схема запитки обмоток электрическим током

1.2.5 Конструкция и технология изготовления центрального полюса.

1.2.5.1 Требования к конструкции центрального полюса.

1.2.5.2Изготовление прототипа центрального полюса.

1.2.5.3Намоточный станок.

1.2.5.4Технологический цикл намотки центральной катушки.

1.3 Магнитопровод.

1.3.1 Расчет магнитопровода.

1.3.2 Боковые полюса.

1.3.3 Особенности конструкции вигглера.

1.4 Корректора.

Актуальность темы. Многие специализированные источники синхротронного излучения были разработаны в свое время для решения конкретных задач, например рентгенолитографии, материаловедения, изготовления микроструктур. Исходя из этих требований проектировалась структура накопителей, выбиралась рабочая энергия электронного пучка и величина магнитного поля в поворотных магнитах, которые определяют энергию квантов спектра синхротронного излучения. Не последним критерием при выборе магнитной структуры накопителя являлась при этом стоимость установки. Однако в настоящее время появляются задачи, для исследования которых необходим более коротковолновый участок спектра синхротронного излучения по сравнению с излучением из поворотных магнитов. Весьма эффективным способом повышения жесткости спектра синхротронного излучения уже существующих накопителей является постановка на них специальных устройств, создающих на участке орбиты накопителя знакопеременное магнитное поле, позволяющее концентрировать в малый телесный угол излучение с достаточно большого участка траектории. Использование вигглеров - специальных магнитов со знакопеременным магнитным полем - для генерации синхротронного излучения в настоящее время привлекает повышенное внимание во многих ведущих мировых центрах синхротронного излучения. В связи с этим значительные усилия направляются на создание вигглеров с максимально возможным значением магнитного поля. Использование для этого электромагнитов со сверхпроводящими обмотками, работающими в специальных криостатах при температуре жидкого гелия, привело к созданию ряда сильнополевых сверхпроводящих вигглеров.

Целью работы явилось создание сверхпроводящего генератора синхротронного излучения (вигглера) с большим уровнем поля (7.5 Тл) и фиксированной точкой излучения, позволяющего сдвигать спектр излучения в коротковолновую область. Данный вигглер был разработан и изготовлен в Институте ядерной физике им.Будкера СО РАН и установлен в 1998 году на специализированном источнике синхротронного излучения CAMD-LSU (Луизиана, США).

Научная новизна

1. Создан сверхпроводящий трехполюсный вигглер с рекордным для Nb-Ti обмоток полем 7.5 Тл при межполюсном зазоре 51 мм.

2. Предложена и впервые реализована схема установки трехполюсного вигглера на накопительное кольцо в качестве генератора синхротронного излучения, при которой точка излучения неподвижна при любой величине магнитного поля в вигглере и значительно подавлен эффект «второго источника» в спектре излучения.

3. Создан сильнополевой сверхпроводящий Nb-Ti полюс, являющийся основным элементом вигглера с полем 7.5 Тл при межполюсном зазоре 51 мм, что не имеет аналогов в мире. При изменении зазора и соответствующем перераспределении токов в обмотках данный полюс может быть использован в качестве универсального ключевого элемента при построении различных магнитных систем с высоким уровнем поля. Практическая значимость работы. Создан генератор синхротронного излучения, основным назначением которого является генерация жесткого рентгеновского излучения при установке его на накопители заряженных частиц. При этом спектр излучения сдвигается в более коротковолновую область по сравнению с излучением из обычных поворотных магнитов накопителя. Это свойство экономически выгодно использовать для модернизации ранее построенных источников синхротронного излучения с относительно невысокой энергией с целью улучшения их характеристик и повышения конкурентоспособности по сравнению с более современными (и более дорогими) источниками. Этот генератор излучения может быть так же использован для изменения таких характеристик пучков заряженных частиц, как эмиттанс, длина сгустка, время затухания, поляризации электронов в накопителе и других.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинаре в Института ядерной физики им.Будкера СО РАН и на следующих конференциях: SRI-91 (Честер, Англия), СИ-94 (Новосибирск), СИ-96 (Новосибирск), SRI-97 (Япония), СИ-98 (Новосибирск), СИ-2000 (Новосибирск), SRI-2000 (Берлин, Германия), а так же опубликованы в виде 15 статей.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 41 наименования, изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков и 5 таблиц.

Заключение

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. Создан сверхпроводящий трехполюсный вигглер с рекордно высоким уровнем магнитного поля (7.55 Тл) при межполюсном зазоре 51 мм на основе Nb-Ti сверхпроводников, что не имеет аналогов в мире. Вигглер позволяет улучшать характеристики источников синхротронного излучения, сдвигая спектр излучения в коротковолновую область при значительном подавлении яркости второго источника. Вигглер включает в себя магнитную систему со сверхпроводящими обмотками, криостат для поддержания температуры жидкого гелия на магните и систему вакуумных камер с поглотителями синхротронного излучения для транспортировки электронного пучка.

2. Разработана конструкция и отработана технология изготовления основного элемента вигглера, сильнополевого центрального полюса, создающего на орбите электронного пучка магнитное поле 7.55 Тл при заданном межполюсном зазоре магнита 51 мм. Уровень поля, создаваемый обмотками, приближается к максимально возможному теоретическому пределу, определяемому токонесущей способностью сверхпроводящего Nb-Ti провода и ток в обмотках составляет ~ 90% от тока короткого образца. Данный полюс может быть использован в качестве универсального ключевого элемента для создания сверхпроводящих магнитов с высоким уровнем поля.

171

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

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

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

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

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

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

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

8. A.Hofmann, LEP Note 192 (1979).

9. J.M.Jowett, Proc.l2th Int. Conf. High Energy Accelerators, Fermilab, August 1983, p.300.

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

11. 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.

12. 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.

13. 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.

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

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

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

17. 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.

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

19. 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.

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

21. БрехнаГ., Сверхпроводящие магнитные системы, М., Мир, 1976.

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

23. Список работ, опубликованных по теме диссертации:

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

25. Grudiev A.V., Djurba V.K., Kulipanov G.N., Khlestov V.B., Mezentsev N.A., Ruvinsky S.I., Shkaruba Y.A., Sukhanov S.Y., 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.101-106.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

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

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

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

34. D.Richter, Superconducting 7 Tesla Wave Length Shifter for BESSY-II. Proc.of th

35. International conference of Synchrotron Radiation Instrumentation, Berlin, 2000.