Элементы магнитной системы для специализированного источника синхротронного излучения "MLS" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Стешов, Андрей Георгиевич

• Стешов, Андрей Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Стешов, Андрей Георгиевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МАГНИТНАЯ СИСТЕМА MLS.

1.1. ЭЛЕМЕНТЫ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ НАКОПИТЕЛЬНОГО КОЛЬЦА ИСТОЧНИКА СИ.

1.1.1. Поворотные магниты.

1.1.2. Мультипольные магниты.

1.2. ПАРАМЕТРЫ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ НАКОПИТЕЛЬНОГО КОЛЬЦА MLS.

ГЛАВА 2. ПОВОРОТНЫЕ МАГНИТЫ ДЛЯ MLS.

2.1. ТРЕБОВАНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ПОВОРОТНЫХ МАГНИТОВ.

2.2. КОНСТРУКЦИИ ПОВОРОТНЫХ С- ОБРАЗНЫХ МАГНИТОВ.

2.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПОВОРОТНОГО МАГНИТА MLS.

2.3.1. 2D моделирование магнитных полей.

2.3.2. 3D моделирование магнитных полей.

2.4. КОНСТРУКЦИЯ ПОВОРОТНОГО МАГНИТА MLS.

2.4.1. Сердечник поворотного магнита.

2.4.2. Катушки поворотного магнита.

2.4.3. Опоры под геодезические знаки.

ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВО И МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВОРОТНЫХ МАГНИТОВ.

3.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ СЕРДЕЧНИКОВ ДИПОЛЕЙ.51 '

3.1.1. Штамповка пластин.

3.1.2. Сборка сердечника.

3.1.3. Измерение механических параметров сердечников.

3.1.4. Изготовление катушек поворотных магнитов.

3.1.5. Выставка опор для геодезических знаков.

3.1.6. Поворотный магнит в сборе.

3.1.7. Подставка для поворотного магнита.

3.2. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВОРОТНЫХ МАГНИТОВ MLS.

3.2.1. Измерительная система на основе датчиков Холла.

3.2.2. Измерение магнитных полей.

ГЛАВА 4. МУЛЬТИПОЛЬНЫЕ МАГНИТЫ ДЛЯ MLS.

4.1. ТРЕБОВАНИЯ НА МУЛЬТИПОЛЬНЫЕ МАГНИТЫ ДЛЯ MLS.

4.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ МУЛЬТИПОЛЬНЫХ МАГНИТОВ.

4.2.1. Моделирование квадрупольного магнита.

4.2.2. Моделирование секступольного магнита.

4.2.3. Моделирование октупольного магнита.

4.2.4. Выводы по результатам моделирования мультиполей MLS.

4.3. КОНСТРУКЦИЯ МУЛЬТИПОЛЬНЫХ МАГНИТОВ.

4.3.1. Конструкция квадруполей.

4.3.2. Конструкция секступольных магнитов.:.

4.3.3. Конструкция октупольных магнитов.

4.3.4. Подставки магнитов и выставка магнитов на гирдере.

ГЛАВА 5. ПРОИЗВОДСТВО И МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ МУЛЬТИПОЛЕЙ.

5.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ СЕРДЕЧНИКОВ МАГНИТОВ.

5.1.1. Штамповка пластин.

5.1.2. Склейка сегментов сердечников линз.

5.1.3. Изготовление катушек мультиполей.

5.1.4. Сборка мультипольных магнитов.

5.2. ИЗМЕРЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНИКОВ МАГНИТОВ.

5.2.1. Квадрупольный магнит.

5.2.2. Секступольный магнит.

5.2.3. Октупольный магнит.

5.2.4. Тестовые испытания магнитов в сборе.

5.3. МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ МУЛЬТИПОЛЕЙ.

5.3.1. Измерительная система «Вращающаяся радиальная катушка».

5.3.2. Результаты измерения квадрупольных магнитов (SRQ).

5.3.3. Результаты измерения секступольных магнитов (SRS).

5.3.4. Результаты измерения октупольных магнитов (SRO).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Элементы магнитной системы для специализированного источника синхротронного излучения "MLS"»

Синхротронное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися по искривлённым магнитным полем траекториям с релятивистскими скоростями [1,2]. о

Для частиц с энергией Е » тс излучение в области высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора б~тсг/Е~\/у. В плоскости орбиты электрона излучение поляризовано линейно с вектором поляризации, лежащим в плоскости орбиты. На некотором угловом расстоянии от этой плоскости наблюдается эллиптическая поляризация, знаки по обе стороны от плоскости орбиты противоположны.

Благодаря своим уникальным свойствам синхротронное излучение может использоваться для исследований в атомной физике, материаловедении, химии, биологии и медицине [1, 2, 3].

Первыми источниками синхротронного излучения были установки, первоначально сооруженные для решения задач физики высоких энергий. К этому поколению источников относятся так же электрон-позитронные ускорители в ИЯФ СО РАН ВЭПП-2М и ВЭПП-3, 4 [4]. Подобные источники синхротронного излучения не обладают той гибкостью, которая позволяла бы им удовлетворять разнообразным нуждам сотен пользователей СИ. Быстрый рост числа исследований с использованием СИ привел к созданию специализированных источников, спроектированных с учетом потребностей всех возможных пользователей и работающих только для производства СИ. В этих машинах используется жесткая фокусировка пучка, позволяющая получить малый эмиттанс (соответственно, малый поперечный размер пучка).

Кроме этого, для получения большей интенсивности СИ или более монохроматического спектра излучения при высокой интенсивности в специализированных источниках используются генераторы СИ: вигтлеры и ондуляторы [5]. J

С конца 90-х годов прошлого века до настоящего времени специализированные источники СИ были построены практически во всех крупных научных центрах в мире, ИЯФ принимал непосредственное участие в создании многих из этих машин: «Сибирь» (Россия), BESSY-II (Германия), SLS (Швейцария), SAGA (Япония), SOLEIL (Франция), DIAMOND (Англия) и многих других.

В последние годы наблюдается рост числа узкоспециализированных технологических приложений СИ. Большой рост количества приложений в ИК и ВУФ областях спектра излучения привел к появлению спроса на специализированные источники, работающие в этом диапазоне, максимально 7 оптимизированные с точки зрения пользователей, имеющие компактные размеры и относительно невысокую стоимость.

Немецкий национальный центр метрологии «Physikalisch-Technische Bundesanstalt» (РТВ) использует СИ для метрологии и связанных с ней, исследований в науке и производстве. В рамках этой деятельности в РТВ был построен новый специализированный источник СИ MLS на энергию электронов до 600 МэВ, специально спроектированный только под задачи метрологии [6, 7, 8]. РТВ использует СИ для работ в области метрологии с 1982 года, когда начал свою работу синхротрон BESSY I. После остановки BESSY I РТВ организовало свою лабораторию на BESSY II, перейдя к исследованиям с помощью СИ только в области рентгеновского излучения энергии фотонов свыше 6 кэВ). Необходимость проведения исследований и прикладных работ в длинноволновом диапазоне привела к появлению источника синхротронного излучения MLS, создание которого было начато осенью 2004 года.

Специализированный источник MLS состоит из накопительного кольца, микротрона и электронно-оптического канала между микротроном и накопительным кольцом. Инжекция в накопительное кольцо производится из 100 МэВ микротрона. Периметр накопительного кольца MLS 48 метров, энергия пучка электронов может меняться в диапазоне от 200 до 600 МэВ. Ток пучка электронов в накопительном кольце может изменяться в диапазоне от 1 пА до 200 мА. Расчетное время жизни пучка при токе 200 мА для энергии 200 МэВ составляет 10 часов, а для энергии 600 МэВ больше 1 часа.

Параметры СИ генерируемого MLS, позволяют проводить прецизионные измерения и калибровку приборов в спектральном диапазоне от терагерцового и инфракрасного излучения до жесткого ультрафиолета (EUV) [9, 10]. Работа в этом спектральном диапазоне значительно расширяет возможности РТВ, в течение последних лет работавшего с СИ только коротковолнового диапазона от жесткого ультрафиолета до рентгена на источнике СИ BESSY И.

Предполагается использовать MLS для решения следующих задач в области метрологии:

• Как первичный эталонный источник для калибровки различных источников 1 излучения в ультрафиолетовом диапазоне (7 нм - 400 нм) [9].

• Для калибровки полупроводниковых детекторов излучения в диапазоне 4 -400 нм [9].

• Для рефлектометрии в диапазоне жесткого ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения (4 - 40 нм) [9].

• Радиометрия в ИК и терагерцовом диапазонах (0,6 - 20 мкм) [10]. Магнитная система накопительного кольца MLS состоит из четырех суперпериодов разделенных двумя длинными (6 м) и двумя короткими (2,5 м) прямолинейными промежутками. В качестве генераторов СИ используются поворотные магниты и установленный в одном из прямолинейных промежутков ондулятор U180 (производства BESSY II). Магнитная система накопительного кольца MLS содержит: 8 поворотных магнитов, 24 квадрупольных, 24 секступольных и 4 октупольных линзы. Использование MLS как первичного эталонного источника для метрологии приводит к возникновению жестких требований на стабильность положения точек излучения, что, в свою очередь, приводит к высоким требованиям к магнитным параметрам элементов магнитной системы и к стабильности этих параметров внутри серии однотипных элементов. Магнитная система отличается плотной компоновкой элементов, и при этом позволяет выводить большое число каналов СИ, в результате чего возникают жесткие требования к конструкции отдельных магнитных элементов (габаритным размерам, типу сердечника, числу сегментов, процедуре сборки/разборки и т.д.). Комплексный подход, включающий: выбор подходящей конструкции магнитов, подробное 2-х и 3-х мерное моделирование магнитных параметров, контроль механических параметров магнитов в процессе производства и сборки и магнитные измерения магнитов, подробно описанный в данной диссертации, позволил создать полный набор элементов магнитной системы, удовлетворяющий вышеперечисленным требованиям.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Стешов, Андрей Георгиевич

Основные результаты работы, которые одновременно являются положениями, выносимыми автором на защиту следующие:

1. Была разработана оптимальная с точки зрения магнитных параметров и технологичности производства конструкция всех основных элементов магнитной системы для первого в мире специализированного метрологического источника СИ.

2. Спроектирован и изготовлен уникальный поворотный 45° шихтованный магнит с сердечником С-типа, зазором 50 мм и радиусом продольного изгиба сердечника ~ 1,5 м при длине сердечника ~ 1,1 м, удовлетворяющий требованиям к метрологическому источнику СИ. Относительная однородность магнитного поля в рабочей области была 2,5'10"4 в диапазоне полей 0,2 - 1,3 Т. Была разработана оригинальная комбинированная технология изготовления сердечника магнита.

3. Спроектирован и изготовлен полный набор мультипольных линз для специализированного метрологического источника СИ. Магнитные параметры данных магнитов соответствуют мировым стандартам для источников СИ 3-го поколения, при этом конструкция магнитов полностью удовлетворяет требованиям, характерным для метрологических источников СИ.

4. Отработана методика 2-х и 3-х мерного моделирования магнитных параметров с помощью программных продуктов Mermaid 2D, 3D и Ansys и методика измерения механических параметров магнитов в процессе изготовления, позволяющая осуществлять производство магнитных элементов без предварительного изготовления и магнитных измерений прототипов. В процессе моделирования изучено влияние погрешности изготовления профиля полюсов магнитных элементов на их магнитные свойства.

5. Выполнены высокоточные измерения магнитных характеристик поворотных магнитов, квадрупольных, секступольных и октупольных линз. Подтверждено полное соответствие магнитных характеристик требованиям Технического Задания.

6. Проанализировано влияние конструктивных особенностей разработанных в ИЯФ высокоточных измерительных систем - системы измерения на основе датчиков Холла и измерительного стенда «Вращающаяся катушка» - на точность измерения магнитных параметров элементов MLS. Полученные в работе результаты и наработки по конструированию, моделированию и измерению магнитных параметров магнитов имеют большое значение для создания магнитных систем компактных специализированных источников СИ.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю И.Н. Чуркину, осуществлявшему непосредственное руководство контрактным заказом, в рамках которого была выполнена представленная работа, за огромный вклад в выполнение данной работы, а также за ценные замечания, полезные дискуссии и технические консультации на различных этапах написания текста диссертации. Автор также признателен сотрудникам ИЯФ СО РАН принимавшим непосредственное участие в работах по созданию магнитных элементов MLS: С. А. Белокриницкому, Е. С. Рувинскому, Н.Б. Нефедову, Е.П. Семенову, C.B. Синяткину, JI.M. Щеголеву и многим другим. За совместное обсуждение результатов и обмен информацией при проведении данной работы автор выражает признательность сотруднику BESSY Петеру Будзу. Отдельно свою искреннюю признательность за постоянный интерес и поддержку в проведении данной работы автор выражает академику Г.Н. Кулипанову.

Заключение

В результате данной работы был изготовлен полный набор основных магнитных элементов специализированного источника СИ MLS: 8 поворотных магнитов, 24 квадруполя, 24 секступоля и 4 октуполя. Высокое качество магнитных элементов и их полное соответствие требованиям Технического Задания позволило в короткие сроки собрать магнитную систему и смонтировать вакуумную камеру, в феврале 2007 года все магнитные элементы, а так же вакуумная камера были установлены на накопительное кольцо MLS. Первое накопление пучка на энергии инжекции 100 МэВ было получено 6 июня (ток пучка 25 мкА, время жизни 1 час). 14 августа пучок был ускорен до максимальной рабочей энергии 600 МэВ (ток пучка ~ 1 мА). В настоящее время источник стабильно работает на энергии 600 МэВ при токе пучка 100 мА, и проводится подготовка первой очереди станций СИ к началу работы для решения задач пользователей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стешов, Андрей Георгиевич, 2008 год

1. К. Кунц (редактор), Синхротронное излучение свойства и применения, издательство «Мир», М., 1981.

2. V.A. Bordovitsyn (editor), Synchrotron radiation theory and its development, World Scientific Publishing Co, Singapore, 1999.

3. Г. В. Фетисов, Синхротронное излучение. Методы исследования структуры вещества, М: «ФизМатЛит», 2007.

4. Г.Н. Кулипанов, А.Н. Скринский, Использование синхротронного излучения: состояние и перспективы, Успехи физических наук, том 122, выпуск 3, стр. 369-417.

5. R. Walker, Insertion devices: undulators and wigglers, CERN Accelerator School: Synchrotron radiation and free electron lasers, CERN 98-04, Geneva, 1998, pp. 117-178.

6. R. Klein et al., Proc. of EPAC 2004, Lucerne, Switzerland, 2004, pp. 2290 -2292.

7. R. Muller et al., Metrology with Synchrotron Radiation:The Metrology Light Source of PTB in Berlin-Adlershof, Synchrotron Radiation News, Vol. 17, № 6, 2004, pp 33-36.

8. R. Klein et al., Proc. of the EPAC 2006, Edinburgh, United Kingdom, 2006, p.3314.

9. K. Bürkmann et al., Proc. of the EPAC 2006, Edinburgh, United Kingdom, 2006, p.3299.

10. R. Müller, A. Hoehl, R. Klein, G. Ulm, U. Schade, К. Holldack, G. Wüstefeld, Planned infrared activities at the Metrology Light Source, Infrared Phys. Technol., 49, 2006, p. 161.

11. S. Belokrinitskiy, P. Budz,, I. Churkin, N. Nefedov, A. Philipchenko, E. Rouvinski, E. Semenov, S.Sinyatkin, A. Steshov, Multipole Magnets for the Metrology Light Source (PTB), Proceedings of RuPAC 2006, JACoW publication, pp.295-297.

12. A.M. Батраков, П.Д. Воблый, А.Г. Стешов, И.Н. Чуркин, Измерение магнитных параметров мультиполей специализированного источника синхротронного излучения MLS, Приборы и техника эксперимента, 1, 2008, стр.131-135.

13. A.M. Batrakov, P.D. Vobly, A.G. Steshov, I.N. Churkin, Measuring the magnetic parameters of the multipole magnets for the specialized source of synchrotron radiation MLS, Instruments and Experimental Techniques, 2008, Vol. 51, №1, pp. 119-123.

14. P. Budz, I. Churkin, V. Durr, J. Kolbe, D. Kramer, J. Rahn, E. Rouvinskiy, E. Semenov, S. Sinyatkin, A. Steshov, G. Ulm et al., The magnets of the Metrology Light Source, Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, 2006, pp. 3296-3298.

15. P. Budz, I. Churkin, V. Duerr, J. Kolbe, J. Rahn, D. Kramer, R.M. Klein, E.

16. Rouvinskiy, E. Semenov, S. Sinyatkin, A. Steshov, G. Ulm, G. Wusterfeld et al., The magnets of the Metrology Light Source in Berlin-Adlersshof, Digest Report of the XVI International Synchrotron Radiation Conference, July 1014,2006, Novosibirsk.

17. A.W. Chao (editor), Hand book of Accelerator physics and engineering, World Scientific Publishing Co, Singapore, 1999.

18. A.Ropert, Lattices and emittances, CERN Accelerator School: Synchrotron radiation and free electron lasers, CERN 98-04, Geneva, 1998, pp.79-117.

19. А.А.Коломенский, А.Н.Лебедев, Теория циклических ускорителей, «Физматгиз», М., 1962.

20. А.Н.Лебедев, А.В.Шальнов, Основы физики и техники ускорителей, «Энергоатомиздат», М., 1991.

21. P.J. Bryant, Basic theory for magnetic measurements, CERN Accelerator School: Magnet Measurement and Alignment. CERN 92-05, Geneva, 1992, pp. 52-69.

22. И.Н.Мешков, «Транспортировка пучков заряженных частиц», Новосибирск, «Наука», Сибирское отделение, 1991.

23. А. А. Воробьев, Техника .высоких напряжений, Москва, 1945.

24. Neil Marks, Conventional magnets I, CERN Accelerator School: 5th' General accelerator physics course, CERN 94-01, Geneva, 1994, pp. 873-897.

25. Штеффен К.Г., Оптика пучков высокой энергии, Пер. с англ., «Мир», М., 4 1969.

26. Левичев Е.Б., Лекции по нелинейной динамике частиц в циклическом ускорителе, Учебное пособие, ИЯФ-НГТУ, 2007.

27. Technical Specification for the Production and Supply of Magnets for the Metrology Light Source, prepared by BESSY.

28. V. Korchuganov, N. Kuznetsov, E. Levichev T. Becker, D. Kramer, S. Kuchler, U. Stronisch, Prototype Developement of the BESSY II Storage Ring Magnetic Elements, Proceedings of the РАС 1995, Dallas, Texas, 1996, pp. 1325-1327.

29. I.Churkin, O.Kiselev, V.Korchuganov, A.Ogurtsov, A.Philipchenko, L.Schegolev, K.Schreiner, S.Sinyatkin, A. Steshov, V.Ushakov, M.Kuroda, Y.Tsuchida, Bending Magnets for the SAGA Storage Ring, Nuclear Instruments & Methods A 543, 2005, pp.47 50.

30. A. Dubrovin, Proceedings of the International Computational Accelerator Physics Conference 2004, St. Peterburg, 2004, p.47.

31. О. Б. Буль, "Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. Программа ANSYS", «Академия», 2006.

32. В. Berkes, Hall generators, CERN Accelerator School: Magnet Measurement and Alignment, CERN 92-05, Geneva, 1992, pp.167-192.

33. Протопопов И.Я., Левичев Б.В., Магнитные измерения датчиками Холла, внутренний отчет ИЯФ, 2000 год.

34. A.Batrakov, S.Zverev, I.Ilyin, V.Kozak, E.Kuper et al, The new VME-based system for magnetic measurements with Hall sensors, Proceedings of RuPAC 2006, JACoW publication, pp. 55-57.

35. L. Rivkin, Ch.Vollenweider, J.A. Zichy, I.Churkin, A. Steshov, V.N.Korchuganov and etc., Precise measurements of magnetic fieldparameters of the multipoles for the SLS storage ring, Nuclear Instruments & Methodes, A 470, 2001, pp.11-17.

36. L. Walckiers, The harmonic-coil method, CERN Accelerator School: Magnet Measurement and Alignment, CERN 92-05, Geneva, 1992, pp. 138-166.

37. R. P. Walker, Magnetic Measurement, Synchrotron Radiation Sources, World Scientific Publishing Co, Singapore, 1994.

38. Корчуганов B.H., Чуркин И.Н., Стешов А.Г. и др., Препринт ИЯФ 200072, Новосибирск, 2000.

39. A.Batrakov, P.Vagin, D.Shichkov, Hardware and software for precise magnetic measurements with moving coils, XXth Russian Conference on Charged Particle Accelerators: Book of abstracts, Sept. 10-14, 2006, Novosibirsk, Russia, P.35, p.70.

40. Воблый П.Д., Инструкция по магнитным измерениям на стенде «Вращающаяся радиальная катушка», ИЯФ, 2007 год.