Система измерения магнитного поля сверхпроводящих квадрупольных магнитов Бустера NICA тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шемчук Андрей Васильевич

• Шемчук Андрей Васильевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Шемчук Андрей Васильевич

Введение

Глава №1. Квадрупольный магнит Бустера и требования к системе измерений параметров магнитного поля

1.1. Особенности конструкции квадрупольного магнита бустера

1.2 Основные характеристики квадрупольных магнитов Бустера NICA

1.3 Техническое задание на измерение параметров магнитного поля и требования к измерительной системе

1.4 Выводы

Глава №2. Система магнитных измерений

2.2 Метод гармонических катушек

2.2 Двумерное представление магнитного поля

2.3 Разработка прототипов магнитометрического датчика (МД)

2.4 Серийный МД

2.5 Система координат МД и дублета квадрупольных линз

2.6 Методика измерений параметров магнитного поля квадрупольных магнитов Бустера NICA

2.7 Сбор экспериментальных данных и анализ полученных результатов

1.8 Выводы

Глава №3. Исследования «паразитных» эффектов, влияющих на величины мультипольных компонент поля и методики их устранения

4.1 Паразитные высшие гармоники. Причины возникновения

4.2 Эффект «плавающей» магнитной оси и методика ее устранения

4.3 Выводы

Обнаружены причины множественных переходов магнитов из сверхпроводящего состояния в нормальное - движение обмотки («плавающая» магнитная ось), которые были обнаружены косвенно, а именно из зависимости тока от положения магнитной оси

Глава №4. Результаты измерений

4.1 Форма представления результатов и общие сведения

4.2 Градиент магнитного поля

4.3 Эффективная длина

4.4 Высшие гармоники

4.5 Положение магнитной оси

4.6 Выводы

Заключение

Библиографический список

Список публикаций, в которых излагаются основные научные результаты диссертации:

Введение

Основной метод, который используется для измерения параметров магнитного поля в кольцевых ускорителях - метод гармонических катушек. Основополагающие принципы этого метода были заложены еще до создания первого синхротрона Cosmotron в BNL в 1953 г [1]. При измерении параметров магнитов Cosmotron был впервые использован интегратор сигнала.

Со временем методики измерений улучшались параллельно с развитием технической базы и повышением требований на точность. Развивались также и теоретические основы метода гармонических катушек [2]. Создание каждого нового ускорителя — это одновременно и создание магнитов новой, уникальной конструкции, технические особенности которой отвечают задачам именно этой установки. Каждый новый тип магнита требует разработки специализированной методики измерений, которая будет учитывать его технологические и конструкционные особенности, а также методы и условия его испытаний.

Данная работа посвящена разработке системы магнитных измерений для сверхпроводящих квадрупольных магнитов Бустера NICA [3], представляющие собой дублет из фокусирующей и дефокусирующей линз, жестко связанных друг с другом, и являются магнитами с холодным ярмом и конструкцией аналогичной конструкции магнитов типа «Нуклотрон» [4].

Квадрупольные магниты Бустера имеют конструкционные особенности, основная - магнит состоит из двух полу-ярм, в то время как квадруполи Нуклотрона имеют 4 симметричных четверть-ярма. При магнитных измерениях магнитов Нуклотрона также использовалась методика, основанная на использовании гармонических катушек, конструкция датчика соответствовала геометрии квадрупольных магнитов Нуклотрона, длина которых составляла 248 мм, а диаметр катушек составлял 90% апертуры. В датчиках использовались катушки, намотанные вручную, система сбора данных включала электронный интегратор, изготовленный в стандарте КАМАК и работавший под управлением малой ЭВМ, шаговый двигатель и драйвер для управления им. Вся механика была собрана на доступных на то время комплектующих, произведенных в СССР. Магнитные измерения структурных элементов Нуклотрона были выполнены в период 1987 по 1991 год. [5]

В последующие годы в мировых ускорительных центрах методика измерений совершенствовалась в сторону использований новой все более точной и прецизионной электроники и механики. На смену электронных интеграторов пришли современные дигитайзеры и цифровые интеграторы, основанные на использовании программируемых интегральных схем (FPGA) и сигнальных процессоров. Вместо шаговых двигателей стали использовать сервоприводы. Катушки из намоточного провода начали заменять на катушки, изготовленные в виде многослойных печатных плат.

Выполнение магнитных измерений структурных элементов Бустера NICA -первый опыт использования таких катушек для сверхпроводящих магнитов с охлаждаемым до криогенных температур датчиком.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система измерения магнитного поля сверхпроводящих квадрупольных магнитов Бустера NICA»

Актуальность работы

В рамках реализации проекта NICA, создания двух новых сверхпроводящих установок: быстроциклирующего синхротрона Бустер и Коллайдера встречных пучков, в ЛФВЭ ОИЯИ в 2014 году был создан участок по сборке и испытаниям сверхпроводящих магнитов - фабрика магнитов. Структура фабрики включает в

себя несколько участков: входной контроль изделий и комплектующих; изготовление сверхпроводящего кабеля и обмоток; механическая сборка ярма и обмотки; «теплые» магнитные измерения; вакуумный стенд; участок криогенных испытаний.

Для достижения проектных параметров пучка величина мультипольных компонент поля структурных элементов кольцевых ускорителей и накопителей должна с заданной точностью (для современных кольцевых машин - (1^5) 10-4) соответствовать расчетным параметрам. Под мультипольными компонентами подразумевается состав и величины соответствующих гармоник при разложении действующей величины в ряд по поперечным координатам, а также интегральные величины, влияющие на движение пучка.

Характеристики магнитов используются на этапе сборки ускорителя, для оптимизации расстановки элементов по кольцу и для настройки режимов ускорения пучка. Поэтому для каждого нового создаваемого ускорителя актуальной и одной из важнейших задач является прецизионное измерение характеристик магнитных полей структурных элементов.

Отличительной особенностью сверхпроводящих квадрупольных магнитов Бустера NICA является их конструкция - фокусирующий и дефокусирующий магниты (линзы) жестко связаны друг с другом, посредством цилиндра из нержавеющей стали. В ускорительной физике, такие магниты называют дублетами.

Необходимость измерения параметров магнитных полей структурных элементов ускорительного комплекса NICA в соответствии с техническими требованиями - сложная и актуальная методическая задача.

Цель работы: разработка методов и систем для измерения и исследования характеристик и сертификации параметров магнитного поля квадрупольных магнитов Бустера NICA, обладающих уникальными конструкционными особенностями.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1) реализовать методику серийных измерений параметров магнитного поля квадрупольных магнитов Бустера;

2) разработать специализированную магнитометрическую систему;

3) разработать алгоритмы обработки и анализа результатов измерений;

4) создать специализированную систему сбора данных для проведения измерений параметров квадрупольных магнитов;

5) выполнить серийные магнитные измерения, включая анализ данных и сертификацию полученных данных.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие положения

1) Реализованная методика измерения параметров магнитного поля в сверхпроводящих квадрупольных магнитах Бустера NICA;

2) Конструкция магнитометрического датчика для серийных измерений параметров магнитного поля квадрупольных магнитов Бустера NICA при криогенных температурах;

3) Комплекс программного обеспечения для проведения измерений и обработки данных;

4) Результаты измерения параметров магнитного поля квадрупольных магнитов Бустера NICA

Научная новизна работы

1) Впервые создан уникальный, специализированный магнитометрический датчик для сверхпроводящих дублетов квадрупольных магнитов, работающий без анти-криостата при криогенных температурах.

2) Впервые в магнитометрическом датчике для дублетов, работающем при криогенных температурах, использовались индукционные катушки, изготовленные по технологии многослойных печатных плат.

3) Впервые был обнаружен эффект «плавающей» магнитной оси, предложена и реализована методика по устранению эффекта в исследуемых магнитах.

Практическая значимость работы

На основе реализованной методики измерений, созданного магнитометрического датчика и разработанного ПО для обработки результатов измерений создана уникальная магнитометрическая база для проведения контрольного тестирования дублетов квадрупольных магнитов.

Измерениями, выполненными с использованием разработанного и созданного магнитометрического датчика уникальной конструкции, подтверждены правильность конструкционных решений дублетов квадрупольных магнитов для Бустера NICA, в части формирования требуемого магнитного поля.

С помощью разработанного датчика, методики измерений и методики обработки данных выполнено более пятидесяти криогенных магнитных измерений, обработаны и запротоколированы полученные результаты.

На основе результатов выполненных измерений выявлены дублеты с амплитудами высших гармоник магнитного поля, отличающимся от предписанного по спецификации. Около 75% всех магнитов подверглись доработке, для устранения эффекта плавающей оси, зафиксированного благодаря магнитным измерениям разработанным автором датчиком.

Полученные данные использованы для оптимизации расстановки квадрупольных магнитов в кольце Бустера.

Результаты работ, положенных в основу диссертации, обеспечили успешный физический запуск сверхпроводящего синхротрона Бустер ускорительного комплекса «NICA».

Методика и система магнитных измерений после модернизации продолжают использоваться для серийных измерений магнитов проекта NICA, FAIR, а также разрабатываемых перспективных ВТСП-магнитов для нового Нуклотрона.

Личный вклад автора

Все результаты, приведенные в диссертационной работе, получены автором или при его непосредственном участии.

Автор принимал определяющее участие в проектировании прототипов, и серийного образца магнитометрического датчика, в пуско-наладочных работах системы магнитных измерений. Непосредственно участвовал в модернизации программного обеспечения сбора и обработки данных, а также в модернизации магнитометрического датчика. Лично принимал участие и руководил всеми магнитными измерениями, результаты которых вошли в работу, выполнял обработку и анализ данных. Как в соавторстве, так и лично автором организована апробация результатов исследования. Большинство публикаций и докладов по теме диссертационной работы подготовлены и представлены автором.

Апробация работы

Результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались автором

на:

- 11th, 12th, 13th, 14th International scientific workshop to the memory of Professor V.P. Sarantsev, (2015, 2017, 2019, 2022 г.). * - По результатам выступлений присуждены 2 диплома 1 -ой степени («Лауреат конкурса молодых ученых») за 2015 и 2017 г.

- 7-я школа-конференция молодых ученых и специалистов (г. Алушта, 2018

г.),

- 25я, 26я, 27я Всероссийские конференции по ускорителям заряженных частиц (RUPAC 2016, 2018, 2021 г.)

- 8th , 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC)

Работы, вошедшие в диссертацию, поддержаны грантами ЛФВЭ ОИЯИ для молодых ученых и специалистов в 2017, 2020 и 2021 годах. По результатам работ, вошедших в диссертацию, в 2016 г. Автору присуждена стипендия имени В.И. Векселра.

Результаты работ, составивших основу диссертации, опубликованы в 12 печатных работах, 4 из которых изданы в реферируемых журналах по списку ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 26 наименований. Общий объем диссертационной работы составил 101 страница, включая 67 рисунков и 10 таблиц.

Внедрение результатов работы

Реализованная методика и созданный магнитометрический датчик в составе разработанной системы магнитных измерений использованы для проведения серийных измерений параметров магнитного поля квадрупольных линз Бустера NICA. Методика и система магнитных измерений после модернизации продолжают использоваться для измерений других серийных магнитов проекта NICA и FAIR.

Глава №1. Квадрупольный магнит Бустера и требования к системе измерений параметров магнитного поля.

1.1. Особенности конструкции квадруполъного магнита бустера

Магнитооптическая структура бустерного синхротрона включает в себя 24 сверхпроводящих дублета [6] квадрупольных линз. На рисунке 1.1 представлена конструкция дублета квадрупольных магнитов, представляющих собой магниты типа Нуклотрон [7-9] на основе холодного железного ярма и сверхпроводящей обмотки в форме седла, охлаждаемой изнутри потоком двухфазного гелия, проходящего по каналу внутри СП-кабеля.

Рисунок №1.1. Модель дублета квадрупольных линз Бустера проекта NICA.

Катушка состоит из двух полу-обмоток. Количество витков на каждом полюсе - два. Дублет, в свою очередь, состоит из двух линз, одна из которых фокусирующая, другая де-фокусирующая. Линзы соединены между собой двумя полуцилиндрами из нержавеющей стали. Внутри полуцилиндров фиксируется мультипольный корректор магнитного поля.

Охлаждение магнита происходит за счет циркуляции кипящего двухфазного гелия сначала в сверхпроводящей обмотке, а затем в железном ярме при

температуре 4.5 К. Для обеспечения режимов охлаждения магнита на испытаниях используется сателлитный рефрижератор.

Для проведения измерений параметров поля магнита при криогенных температурах с проектными токами его необходимо поместить в криостат и подключить к тоководному криостату, который является частью криогенного участка для проведения испытаний сверхпроводящих магнитов [10,11,12].

На рисунке 1.2 представлен общий вид дублета, помещенного в криостат.

Рисунок №1.2. Дублет в криостате, подключенный к токовводному

криостату.

На рисунке 1.3 представлен дублет линз в сборе с высоковакуумной пучковой камерой эллиптической формы.

Вакуумная камера устанавливается в дублет перед тем, когда магнит полностью готов к отправке на ускоритель, где в дальнейшем будет произведен его монтаж и юстировка согласно орбите и координатам магнитной оси, полученной в результате магнитных измерений.

Рисунок №1.3. Дублет линз в сборе с высоковакуумной пучковой камерой эллиптической формы.

1.2 Основные характеристики квадрупольных магнитов Бустера NICA

Для разработки методики измерения параметров магнитного поля и создания магнитометрического датчика важны следующие конструктивные особенности квадрупольных магнитов Бустера. Магнит состоит из пары квадрупольных линз -фокусирующей (F) и дефокусирующей (D) соединенных между собой цилиндром из нержавеющей стали. (см. Рис. 1). Общая длина составляет порядка 1.8 м. Для обеспечения требований технического задания на магнитные измерения, применение антикриостата [13] с «теплым» магнитометрическим датчиком невозможно. Антикриостат, проходящий через апертуру ярма, примерно в 2 раза уменьшает зону для расположения магнитометрического датчика. На рисунке 1.4, слева показаны два полу-ярма, с установленными в них, полу-обмотками, справа -железное ярмо с обмоткой, подготовленное к «теплым» магнитным измерениям.

Рисунок №1.4. Вид квадрупольного магнита бустера. Слева - в разобранном виде, справа - собранным и готовым к дальнейшим измерениям.

Эти конструктивные особенности дублета требуют разработки магнитометрического датчика, имеющего две отдельные области катушек для линз Б и Б, находящихся в одном корпусе. Точность, в свою очередь напрямую зависит от чувствительности катушек, чувствительность - от радиуса катушек. Другими словами, чем ближе катушки к полюсам магнита, тем выше их амплитуда сигнала, как следствие, точность. Магнитные полюса представляют собой 4 части ярма со сложной поверхностью, обработанные методом фрезеровки, имеющие гиперболический профиль. Именно они учувствуют в формировании магнитного

поля внутри квадрупольного магнита. Магнитное ярмо имеет 2 реперные площадки, которые задают систему координат магнита. Они представлены на рисунке 1.5.

Рисунок №1.5. Реперные площадки дублета бустера.

Реперные площадки имеют отверстия, необходимые для дальнейшей юстировки дублета на кольце ускорителя. Ярмо магнита имеет температуру 4,5 К, а магнитометры работают в температурном диапазоне от 70 до 120 К. Рабочий цикл бустерного синхротрона представлен на рисунке 1.6.

в[Т) *

Рисунок №1.6. Рабочий цикл бустерного синхротрона.

Таблица 1.1. Основные параметры дублетов квадрупольных линз бустера

Параметр Ед-цы Значение

Количество магнитов штук 48

Градиент поля (инж./макс.) Тл/м 1.3 /21.5

Эффективная длина м 0.47

Апертура пучковой камеры (ш/в) мм 128 /65

Рабочий ток (макс. поле) кА 9.68

Скорость роста тока А/(м-с) 14.3

Радиус вписанной окружности мм 47.5

1.3 Техническое задание на измерение параметров магнитного поля и требования к измерительной системе.

В соответствии с техническим заданием для квадрупольных магнитов бустера необходимо измерить следующие параметры магнитного поля:

1. Определить разброс эффективных длин (отклонение эффективной длины данного магнита от среднего по всем магнитам значения). Данный параметр - основной, по которому проводится отбраковка.

2. Определить величины мультипольных компонент поля в зависимости от величины тока питания. Именно: относительные гармоники поля до 6-ой включительно для значений тока, соответствующих полю инжекции ~0.117Тл, максимальному полю 1.8 Тл (выборочно до 2 Тл) и 5-7-ми промежуточным значениям.

3. Определить величину поперечного смещения магнитной оси элемента относительно его геометрической оси.

4. Определить угол между магнитной и геометрической медианными плоскостями.

Допуски на параметры магнитного поля, обеспечивающие возможность достижения проектных параметров ускорителя приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Допуски на параметры квадрупольных магнитов при токе,

соответствующем Вге/= 1.8Тл

Параметр Допуск Ошибка определения

Интегральный градиент** 5*10-4 10-4

Эффективная длина** 5*10-4 10-4

Смещение магнитной оси Ах, Ду ±0.1 0.02 мм

Ьг * 3*10-3 10-4

аг * 3*10-3 10-4

Ь2 1 10-4

й2* 10-3 10-4

Ьз* 10*10-4 2*10-4

аз* 10*10-4 2*10-4

Ь4* 5*10-4 10-4

а4* 5*10-4 10-4

Ьб* - 10-4

аб* - 10-4

* Значения и точность определения гармоник магнитного поля bn, an указаны в относительных к главному полю (b2 - для квадрупольного магнита) единицах. Данные величины определяются для радиуса г^=30мм. ** Разброс величины.

1.4 Выводы

Рассмотрены и изучены конструктивные особенности дублета квадрупольных линз Бустера NICA, а также допуски и ошибки определения величин параметров магнитного поля.

Глава №2. Система магнитных измерений

Выбор методики измерения СП-магнитов основывается на трех основных критериях:

1. Точность измерения параметров магнитного поля (см. таблицу 1.2).

2. Время на проведение магнитных измерений (не более 8 часов) в условиях серийного производства.

3. Время на разработку системы магнитных измерений (6 месяцев).

Так как в соответствии с утверждённым техническим заданием необходимо проводить магнитные измерения с точностью не хуже, чем значения в таблице 1.2, выбранная методика должна обеспечивать такую точность.

Второй важнейший параметр, которым должна обладать система, это время проведения измерений и дальнейшей обработки результатов с получением итогового протокола. Процесс сборки и тестирования СП-магнитов Бустера - это практически конвейерный процесс и от времени каждого этапа будет зависеть итоговый срок введения в эксплуатацию ускорителя. Поэтому система должна обеспечивать проведение измерений относительно быстро - не дольше, чем за одну смену для одного магнита.

Этап создания и отладки любой системы может занимать на порядок больше времени, чем проведение самих измерений, в этом и состоит актуальность третьего критерия.

На начальном этапе был проведен обзор научных статей ведущих лабораторий, имеющих опыт в проведении магнитных измерений. Было выделено три основных метода измерения параметров магнитного поля:

1. Измерения поля при помощи массива датчиков Холла.

2. Метод вибрирующей струны.

3. Метод гармонических катушек.

Метод измерения параметров магнитного поля при помощи датчиков Холла широко распространен в мировой практике [14, 15, 16]. Такой метод позволяет измерять распределение магнитного поля. Однако, такой метод измерения имеет сразу несколько минусов:

1. Криогенные датчики Холла - дорогостоящее изделие (Фирма Lake Shore 1000$ за 1 шт. на 2015 г.).

2. Для магнитных измерений одного магнита требуется большое количество времени, связанное с необходимостью перемещать или вращать массив датчиков внутри апертуры магнита.

3. Сложная система перемещения, которая должна работать в вакууме и при температурах 100 К и ниже.

4. Очень много факторов влияющих на точность измерений.

Например, в установке ALBA1 для измерения параметров магнитного поля циклотрона используется методика с применением датчиков Холла. Точность измерения основной компоненты поля 5*10-4, что является приемлемой величиной для нашей задачи, однако если рассмотреть установку, а именно систему прецизионного перемещения, становится очевидным, что все это невозможно разместить внутри малой апертуры дублета, тем более в криогенных условиях.

Метод вибрирующей струны [17] - достаточно простой и эффективный метод измерения параметров магнитного поля. В основе метода лежит отклонение проводника с током в магнитном поле под действием силы Ампера. Если на струну подать ток с резонансной частотой, включить постоянный ток в магните, а затем установить струну на ось дублета (где B = 0), то можно достаточно точно определить

1 J. Campmany, J. Marcos, V. Massana, "New improvements in magnetic measurements laboratory of the ALBA synchrotron facility", Physics Procedia, Volume 75, 2015, 1214— 1221.

магнитную ось дублета. Однако для измерения высших гармоник, точности метода недостаточно.

Для структурных магнитов кольцевых ускорителей или накопителей частиц нет необходимости полностью измерять распределение магнитного поля внутри апертуры, достаточно измерить интегральные значения с необходимой точностью.

Метод гармонических катушек давно зарекомендовал себя во многих лабораториях мира (CERN, BNL, GSI и др.). Для измерения параметров магнитного поля необходим массив из нескольких катушек, устройство их поворота внутри магнита, и считывающая сигналы аппаратура. Метод точность (10-5) измерения параметров магнитного поля, и был разработан как раз для магнитов, применяющихся в ускорительной технике.

2.2 Метод гармонических катушек.

Свойства магнитной оптики структурных элементов ускорителей описываются интегральными параметрами магнитного поля, т. е. параметрами, определяемыми из интеграла магнитного поля, вычисленного по направлению движения пучка. Такое представление магнитного поля является двумерным. Оно описывает модель магнита с постоянным продольным распределением поля, которое обрывается на краях, так называемая hard-edge model. Измерение параметров магнитного поля в рамках этой модели существенно упрощается и позволяет использовать метод, основанный на измерении угловых зависимостей магнитного потока через одну или несколько катушек, вращающихся вокруг продольной оси магнита - метод гармонических катушек [18-21]. В этом методе используется закон индукции Фарадея:

Рисунок №2.1. Эскиз блока вращающихся гармонических катушек. Пять катушек вращаются вокруг общей оси. Напряжение, индуцируемое в контурах, пропорционально изменению магнитного потока.

Либо катушка вращается с постоянной скоростью в постоянном магнитном поле, либо катушка вращается пошагово, и на каждом шаге происходит плавное изменение магнитного поля, подъем и спад. На Рисунке 2.1 показан эскиз блока из 5-ти таких катушек. Во всех случаях измеряется сигнал напряжения на катушках, вызванный ЭДС индукции и его последующее интегрирование, либо в режиме реального времени, используя цифровые интеграторы, либо при постобработке, используя запись сигнала с помощью АЦП и последующее интегрирование. Различная зависимость мультипольных компонент интеграла магнитного поля от радиуса позволяет создавать схемы включения массивов катушек с компенсацией основной компоненты поля. Это позволяет измерять высшие гармоники с высокой точностью, значительно подавляя ошибки, связанные с паразитными вкладами. Фурье анализ угловой зависимости измеренного магнитного потока позволяет вычислить все необходимые параметры магнитного поля.

2.2 Двумерное представление магнитного поля.

Распределение магнитного поля в плоскости, перпендикулярной направлению движения пучка, выражается аналитической функцией в комплексной плоскости:

(а-1

я/ (2)

11=1 ге//

Кге[ - референсный радиус, г = х + ¿у - координата в комплексной плоскости и €п = Вп + 1Ап - мультипольные коэффициенты или полевые гармоники. Вычисляя магнитный поток через катушку, используя выражение (2) для магнитного поля, можно получить представление магнитного потока через гармоники магнитного поля:

Ф(в) = Ке М-*!)] (3)

N - число витков, Ь - длина катушки.

Представляя угловую зависимость магнитного потока в виде ряда Фурье, можно получить связь между потоковыми мультипольными коэффициентами и гармониками магнитного поля:

^ _ ^п+1

К = (4)

где Кп - коэффициенты чувствительности катушки для п-й гармоники

_ыькге/

= —I;— п

п , „ \ п

\ ¡^1

\firef / \Rref ;

(5)

2.3 Разработка прототипов магнитометрического датчика (МД). Перед проектированием непосредственно конструкции основного элемента системы магнитных измерений - магнитометрического датчика (далее МД), необходимо определиться с выбором материала для изготовления всех его деталей. Основные требование к материалу следующие:

1. Низкий коэффициент теплового расширения (КТР).

2. Эксплуатация в криогенных условиях (вакуум, Т = 4.5 К).

3. Повышенный предел прочности.

4. Диэлектрический материал.

Одним из самых распространенных материалов, который удовлетворяет условиям, указанным выше, является стеклотекстолит. В РФ и СНГ выпускается стеклотекстолит под маркировкой СТЭФ и его разновидности. В ТУ по эксплуатации данного материала температурный диапазон варьируется от - 65оС до +155 оС. Эксперименты, проведенные при температуре жидкого азота, показывают, что подобный материал возможно применять и при значительно низких температурах, вплоть до 4.5 К. Однако специфика структуры отечественного стеклотекстолита, а именно большое содержание связующего (эпоксидных компаундов) и малое содержание стеклоткани, определяет значительно более высокое значение КТР по сравнению с зарубежными аналогами.

Высокий КТР (>105 0С-1), в условиях эксплуатации МД, влечет за собой различные негативные эффекты. Важнейшим параметром, на который оказывается влияние, является точность измерений.

Объяснить связь между КТР и точностью измерений достаточно легко - при изменении размеров МД, и как следствие измерительных катушек, изменяется геометрия их расположения по отношению к магниту, как итог, мы получаем неверные значения эффективной длинны, параметров магнитной оси, градиента и др.

При рассмотрении в качестве материала изготовления деталей датчика зарубежных аналогов СТЭФ, был выбран стеклотекстолит марки 011СЯ [22]. Из такого материала изготавливаются детали СП-обмотки магнитов. Приставка СЯ -означает возможность применения в криогенных условиях. Производство этого материала более технологично, что позволяет получить более плотный материал с минимальных количеством связующего, что благоприятно влияет на КТР материала, который равняется 3*10-6 0С-1. Именно этот материал был выбран для изготовления основных деталей МД.

Помимо основных деталей МД, необходимо также выбрать материал для изготовления крепежа. Опыт эксплуатации МД для дипольных магнитов Бустера показал, что лучшим материалов для крепежа является - РЕЕК [23] (полиэфир-кетон).

В отличии от стеклотекстолита, обладающего анизотропией, РЕЕК -изотропный материал, который позволяет выполнять мелкие детали путем механической обработки. Применим для криогенных условий, обладает высокой прочностью (предел прочности 350 МРа), и подходящим коэффициентом упругой деформации.

После того, как были определены материалы для изготовления будущего МД, было необходимо определиться с основным элементом МД - измерительными катушками.

Измерительная катушка - многовитковая, плоская катушка, геометрия которой определяется из соотношения количество витков/площадь. Помимо этого, ключевым свойством измерительной катушки является точность ее размеров, стабильность намотки, и точность укладки проводника. На первоначальном этапе катушки представляли из себя корпус из стеклотекстолита (кондуктор), с намотанным на него одножильным изолированным медным проводником.

На рисунке 2.2 представлен прототип измерительной катушки, изготовленный на намоточном станке на производстве в Москве. Было произведено около 15 катушек различной геометрии. Намотка катушек с диаметром проводника порядка 0,2 мм - очень трудный и длительный процесс.

Рисунок №2.2. Прототип измерительной катушки, изготовленный на

намоточном станке.

Параллельно с разработкой конструкции будущего МД, было разработано техническое задание на изготовление измерительных катушек, используя технологию многослойных печатных плат (PCB). Такая технология обладает огромным преимуществом по сравнению с намотанными катушками:

1. Высокая точность изготовления витков (5 мкм) и прочих сопутствующих компонентов (отверстий, переходов между слоями, площадок под разъем).

2. Возможность в компактном формфакторе изготовить катушки с большим количеством витков, тем самым подняв чувствительность, увеличив при этом уровень полезного сигнала.

3. Несколько катушек (в нашем случае 15 шт.) можно изготовить на одной печатной плате. В итоге мы имеем единую деталь (80*1000 мм), с необходимым количеством катушек, изготовленных с точностью не хуже 5 мкм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шемчук Андрей Васильевич, 2024 год

Библиографический список

1. Green G.K./ Magnetic measurements et al. // Rev. Sci. Instr., 24 (1953) 743-754.

2. A. Jain / Harmonic coils // CAS on measurement and alignment of accelerator and detector magnets, p.175, CERN 98-05, August 1998.

3. Аверичев А.С., Агапов H.H., Александров В.С., Алфеев А.В., Андреев В.А., Базанов А.М., Батин В.И., Блинов HA., Борисов В.В., Бровко О.И., Бутенко

A.В., Бучнев В.Н, Вадеев В.П., Василишин Б.В., Вишневский А.В., Волков

B.И., Галимов А.Р., Говоров А.И., Гогов Д.С., Головенский Б.В., Голубицкий О.М., Горбачев Е.В., Гребенцов А.Ю., Дергунов А.П., Донец Д.Е., Донец Е.Д., Донец Е.Е., Дробин В.М., Дударев А.В., Елисеев А.В., Емельянов H3., Жабицкий В.М., Иванов Е.В., Исадов В.А., Карпинский

B.Н, Карпов Г.В., Кекелидзе В.Д., Кириченко А.Е., Кобец А.Г., Кобец В.В., Коваленко А.Д., Козлов О.С., Колесников С.Ю., Константинов А.В., Костромин С.А., Крылов А.Р., Крылов В.А., Кудашкин А.В., Кукарников

C.И., Кунченко О.А., Кутузова Л.В., Лебедев H.R, Левтеров К.А., Ледницки Р., Люосев Д.А., Макаров А.А., Малиновски Х., Матвеев В.А., Мешков KH., Митрофанова Ю.А., Михайлов В.А., Мончинский В.А., Морозов КВ., Астеров А.В., Шкифоров Д.Н, Шженко Ю.М.,

Омельяненко М.М., Осипенков А.Л., Пивин Р.В., Пиляр Н.В., Понкин Д.А., Прокофьичев Ю.В., Рабцун С.В., Рамздорф А.Ю., Романов С.В., Рукояткин П.А., Рукояткина Т.В., Сальников В.В., Седых С.Н., Селезнёв В.В., Сёмин Н.В., Серочкин Е.В., Сидорин A.O., Сидоров А.И., Слепнёв В.М., Слепнёв И.В., Смирнов А.В., Смирнова 3.И., Сорин А.С., Стариков А.Ю., Сыресин Е.М., Тимошенко Г.Н., Топилин Н.Д., Трубников Г.В., Тузиков А.В., Фатеев А.А., Филиппов А.В., Филиппов Н.А., Фимушкин В.В., Ходжибагиян Г.Г., Шабунов А.В., Швецов В.С., Шевченко К.В., Шокин В.И., Шумков В.М., Шурхно Н.А., Шурыгин А.А., Щёголев В.Ю / Технический проект ускорительного комплекса NICA // 978-59530-04169810, Издательский отдел Объединённого института ядерных исследований, 2015

4. H. G. Khodzhibagiyan, N. N. Agapov, P. G. Akishin, V. V. Borisov, A. V. Bychkov, A. R. Galimov, D. N. Nikiforov et al / Superconducting Magnets for the NICA Accelerator Collider Project // Applied Superconductivity, 26, 4, 4003004, 2016.

5. A.M.Donyagin, A.D.Kovalenko, O.S.Kozlov, V.A.Mikhailov, A.A.Smirnov, V.A.Shchepunov / PRELIMINARY ANALYSIS OF THE NUCLOTRON MAGNETIC FIELD // Proceedings of the EPAC'96, p. 2281.

6. H. G. Khodzhibagiyan, N. N. Agapov, P. G. Akishin, V. V. Borisov, A. V. Bychkov, A. R. Galimov, A. M. Donyagin, V. N. Karpinskiy, S. A. Kostromin, O. S. Kozlov, A. V. Kudashkin, G. L. Kuznetsov, I. N. Meshkov, V. A. Mikhaylov, N. A. Morozov, D. N. Nikiforov, R. V. Pivin, A. V. Shabunov, S. A. Smimov, A. Yu. Starikov, and G. V. Trubnikov / « Superconducting Magnets for the NICA Accelerator Collider Complex» // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Volume: 24, Issue: 3, Article Number: 4001304, 2014.

7. H. G. Khodzhibagiyan, N. N. Agapov, P. G. Akishin, V. V. Borisov, A. V. Bychkov, A. R. Galimov, A. M. Donyagin, V. N. Karpinskiy, S. A. Kostromin,

O. S. Kozlov, A. V. Kudashkin, G. L. Kuznetsov, I. N. Meshkov, V. A. Mikhaylov, N. A. Morozov, D. N. Nikiforov et al / Superconducting Magnets for the NICA Accelerator Collider Project // 4003004, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 26, 4, 2015.

8. H. G. Khodzhibagiyan, N.N. Agapov, P.G. Akishin, V.V. Borisov, A.V. Bychkov, A.R. Galimov, O.V. Golubitskiy, A.M. Donyagin, V.N. Karpinskiy, B.Yu. Kondratiev, S.A. Korovkin, S.A. Kostromin, A.V. Kudashkin, G.L. Kuznetsov, D.N. Nikiforov, A.V. Shemchuk, S.A et al / Progress on manufacturing and testing of the SC magnets for the NICA booster synchrotron // XXV, Scientific Council on Charged Particle Accelerators, Proceedings of the RuPAC 2016, 2016.

9. Н.Н.Агапов, А.В.Алфеев, В.А.Андреев, В.И.Батин, О.И.Бровко,

A.В.Бутенко, Б.В.Василишин, В.И.Волков, А.И.Говоров, Е.Д.Донец, Е.Е.Донец, Д.Е.Донец, А.В.Елисеев, И.Б.Иссинский,В.Н.Карпинский,

B.Д.Кекелидзе, А.Д.Коваленко, О.С.Козлов, И.Н.Мешков, В.А.Михайлов, В.А.Мончинский, П.А.Рукояткин, Н.В.Семин,

A.О.Сидорин, А.Н.Сисакян, В.М.Слепнев, А.С.Сорин, Г.В.Трубников, Г.Г.Ходжибагиян / Прогресс в развитии ускорительного комплекса Нуклотрон // Письма в ЭЧАЯ, ISSN: 18145957, eISSN: 1814-5973, Изд:ОИЯИ, стр. 731-736, 2010.

10. H. Khodzhibagiyan, S. Kostromin, D. Nikiforov et al. / « Facility for Assembling and Serial Test of Superconducting Magnets» // The 5th International Particle Accelerator Conference. 2014, WEPRI089.

11. H. G. Khodzhibagiyan, N.N. Agapov, P.G. Akishin, V.V. Borisov, A.V. Bychkov, A.R. Galimov, O.V. Golubitskiy, A.M. Donyagin, V.N. Karpinskiy,

B.Yu. Kondratiev, S.A. Korovkin, S.A. Kostromin, A.V. Kudashkin, G.L. Kuznetsov, D.N. Nikiforov, A.V. Shemchuk, S.A. Smirnov, A.Yu. Starikov and

G.V. Trubnikov / "Progress on manufacturing and testing of the SC magnets for the NICA booster synchrotron" // Proceedings of the RuPAC 2016, pp. 144146.

12. G.S. Sedykh, E.V. Gorbachev, A.E. Kirichenko, V.I. Volkov, A.R. Galimov, D.N. Nikiforov, D.V. Neapolitanskiy, V.V. Kosachev, R.V. Pivin / "Control system of the superconducting magnet test bench for NICA accelerator complex" // CEUR Workshop Proceedings (CEURWS.org), Nuclear Electronics and Computing 2017, Vol-2023, ISSN: 1613-0073.

13. F. Clari, Olaf Dunkel, C. Gregory, P. Sievers M. Genet / Prototype Development of a Warm Bore Insert for the LHC Magnet Measurements CERN, European Organization for Nuclear Research, CH-1211 Geneva 23, Switzerland.

14. J. C. Jan , F. Y. Lin, Y. L. Chu, C. Y. Kuo, C. C. Chang, J. C. Huang and C. S. Hwang / FIELD MEASUREMENTS FOR A SUPERCONDUCTING MAGNET AT ROOM TEMPERATURE // th Int. Particle Accelerator Conf. IPAC2019, Melbourne, Australia JACoW Publishing.

15. J. Cornelis, F. Biermans, N. Maene, A. V. D. Bosch / Precise Hall measurements at 4.2 K in superconducting magnets // IEEE Transactions on Magnetics (Volume: 23, Issue: 2, March 1987) p.607-610.

16. Florian Kaether / Magnetic field measurements of superconducting dipole magnets for the SIS100 Synchrotron // Proceedings of the IMMW21, Grenoble 2019, June 24 - 28.

17. Vikas Teotia, Sanjay Malhotra / Single Stretch Wire and vibrating wire measurement system for characterization of multipole accelerator magnets // July 2023, Journal of Instrumentation, 18(07):P07029.

18. L. Walckiers, The Harmonic Coil Method, Proc. CERN Accelerator School on Magnetic Measurement and Alignment, Montreux, Switzerland, March 16-20, 1992, (CERN Report 92-05) pp.138-166.

19. S. Bidon, J. Billan, F. Fischer and C. Sanz, New Technique of Fabrication of Search Coil for Magnetic Field Measurement by Harmonic Analysis, CERN AT-MA Internal Note 95-117, May 1995.

20. W.G. Davis, The Theory of the Measurements of Magnetic Multipole Fields with Rotating Coil Magnetometers, Nucl. Instrum. Meth. in Physics Research, A311, pp. 399-436, 1992.

21. A.K. Jain, Effect of Measuring Coil Imperfections on the Measured Field Parameters, Tech. Note AD/SSC/Tech. No. 99 (SSCL-N-784), January 2, 1992, Brookhaven National Laboratory, Upton, New York 11973.

22. https://www.franklinfibre.com/ - 'электронный ресурс со свободным доступом.

23. https://omnexus.specialchem.com/selection-guide/polyetheretherketone-peek-thermoplastic - электронный ресурс со свободным доступом.

24. https://www.pcbmay.com/ - электронный ресурс со свободным доступом.

25. https://www.ni.com/ - электронный ресурс со свободным доступом.

26. https://www.promgeo.com/equipment/romer/hexagon-absolute-arm-6-axis/ -электронный ресурс со свободным доступом.

Список публикаций, в которых излагаются основные научные

результаты диссертации:

1. Serial Magnetic Measurements of Quadrupole Magnets of the NICA Booster Synchrotron / A.V.Shemchuk в соавторстве V. Borisov, A. Bychkov, O. Golubitsky, A. Donyagin, S. Kostromin, M. Omelyanenko, H. Khodzhibagiyan, M. Shandov, I. Donguzov, T. Parfilo, D. Zolotykh, M. Kashunin // Письма в ЭЧАЯ, ISSN:1814-5957, eISSN:1814-5973, Изд:ОИЯИ, 15, 7, 845, 2018

2. Progress on manufacturing and testing of the SC magnets for the NICA booster synchrotron / D.N. Nikiforov в соавторстве с H. G. Khodzhibagiyan, N.N. Agapov, P.G. Akishin, V.V. Borisov, A.V. Bychkov, A.R. Galimov, O.V. Golubitskiy, A.M. Donyagin, V.N. Karpinskiy, B.Yu. Kondratiev, S.A. Korovkin, S.A. Kostromin, A.V. Kudashkin, G.L. Kuznetsov, A.V. Shemchuk, S.A и др., Proceedings of the RuPAC 2016.

3. The State of the Magnetic Measurements of the NICA Collider Twin-Aperture Dipoles / М. М. Шандов, В. В. Борисов, A. В. Бычков, О. М. Голубицкий, И. И. Донгузов, A. М. Донягин, Д. А. Золотых, М. А. Кашунин, С. А. Костромин, В. А. Михайленко, Т. А. Парфило, Г. Г. Ходжибагиян, А. В. Шемчук // Physics of Particles and Nuclei Letters, ISSN: 1547-4771, eISSN:1531-8567, Изд:MAIK Nauka/Interperiodica distributed exclusively by Springer Science+Business Media LLC, 17, 4, 524-527, 2020.

4. Magnetic Field Measurements for the NICA Collider Magnets and FAIR Quadrupole Units / XXVII Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC-2021), Scientific Council of RAS on Charged Particle Accelerators, Joint institute for nuclear research, Alushta, Russia, А.В.Шемчук, 2021.

5. HTSC PROTOTYPE OF QUADRUPOLE MAGNET OF NEW NUCLOTRON / A.V. Shemchuk, M.S. Novikov, D.N. Nikiforov, H.G. Khodzhibagiyan, M.V. Ilyin // IX Международная конференция «Лазерные, плазменные

исследования и технологии» ЛаПлаз-2023», НИЯУ "МИФИ", Москва, Россия, 1-1, Сборник тезисов, 2023.

6. Serial Magnetic Measurements for the NICA Quadruple Magnets of the NICA Booster / A.V. Shemchuk, V.V. Borisov, A.V. Bychkov, A.M. Donyagin, O. Golubitsky, H.G. Khodzhibagiyan, S.A. Kostromin, M.M. Shandov // . IPAC18, TRIUMF, Vancouver, Canada, 2018.

7. Magnetic Field Performance of the First Serial Quadrupole Units for the SIS100 Synchrotron of FAIR / V. V. Borisov, B. Yu. Kondratiev, O. Golubitsky, H. G. Khodzhibagiyan, M. M. Shandov, E. S. Fischer, M. A. Kashunin, S. A. Kostromin, I. Nikolaichuk, T. A. Parfylo, A. V. Shemchuk, D. A. Zolotykh // 12th International Particle Accelerator Conference (IPAC2021), Brazilian Center for Research in Energy and Materials (CNPEM), Campinas, SP, Brazil, 2417-2420, 2673-5490, 2021.

8. Magnetic Field Measurements for the NICA Collider Magnets and FAIR Quadrupole Units / В.В.Борисов, О.М.Голубицкий, И.И.Донгузов, Д.А.Золотых, Е.В.Золотых, Б..Кондратьев, С.А.Костромин, А.В.Кудашкин, Д.Н.Никифоров, Т..Парфило, Г.Г.Ходжибагиян, Д.И.Храмов, М.М.Шандов, А.В.Шемчук // XXVII Russian Particle Accelerator Conference (RuPAC-2021), Scientific Council of RAS on Charged Particle Accelerators, Joint institute for nuclear research, Alushta, Russia, , 71-74, 2673-5539, 2021.

9. Serial Magnetic Measurements for the NICA Quadrupole Magnets of the NICA Booster Synchrotron / A.V. Shemchuk, I.I. Donguzov, M.A. Kashunin, V. A. Mykhailenko, T.A. Parfylo, D.A. Zolotykh, V.V. Borisov, A.V. Bychkov, A.M. Donyagin, H.G. Khodzhibagiyan, B.Yu. Kondratiev, S.A. Kostromin, M.M. Omelyanenko, M.M. Shandov // RuPAC 2018, RAS, NRC KI-IHEP, JINR, BINP SB RAS, Protvino, Moscow region, Russian Federation, 2018.

10. MAGNETIC MEASUREMENT SYSTEM FOR THE NICA QUADRUPOLE MAGNETS / А.В.Шемчук, В.В.Борисов, А.В.Бычков, О.М.Голубицкий, А.М.Донягин, С.А.Костромин, М.М.Омельяненко, Г.Г.Ходжибагиян, М.М.Шандов // VIIIth International Particle Accelerator Conference (IPAC 2017), , Copenhagen, Denmark, 2017.

11. Low-Noise Pulsed Current Source for Magnetic-Field Measurements of Magnets for Accelerators / M.M. Omelyanenko, V.V. Borisov, A.M. Donyagin, H.G. Khodzhibagiyan, S.A. Kostromin, A.A. Makarov, and A.V. Shemchuk // Physics of Particles and Nuclei Letters, ISSN:ISSN:154-4771, Изд:© Pleiades Publishing, Ltd., 14, 1, с. 219- 226, 2015.

12. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДИПОЛЬНОГО МАГНИТА БУСТЕРА NICA / В.В.Борисов, А.В.Бычков, О.М.Голубицкий, А.М.Донягин, С.А.Костромин, Н.А.Морозов, Е.В.Самсонов, Г.Г.Ходжибагиян, А.В.Шемчук // Письма в ЭЧАЯ , ISSN:1814-5957 , eISSN:1814-5973 , Изд:ОИЯИ, 2016.