Сверхпроводящий 49-полюсный генератор синхротронного излучения с полем 3.5 Тл тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Кузин, Максим Витальевич

• Кузин, Максим Витальевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузин, Максим Витальевич

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 формы обмотки и оптимизация величины тока для получения максимального поля.

1.2.3 Схема питания двухсекционных обмоток.

1.2.4 Конструкция и технология изготовления центральных полюсов.

1.2.4.1 Требования к конструкции центрального полюса.

1.2.4.2 Изготовление прототипа центрального полюса.

1.2.4.3 Станок для намотки катушек.

1.2.4.4 Технологический цикл намотки катушки.

1.3 Магнитопровод.

1.3.1 Расчет магнитопровода.

1.3.2 Основные особенности конструкции магнитной системы.

2 Криогенная система вигглера.

2.1 Конструкция криостата.

2.1.1 Внешний бак криостата и медные экраны.

2.1.2 Гелиевый объем вигглера.

2.1.3 Система заливки и газоотвода.

2.2 Вакуумная камера.

2.3 Захолаживание вигглера.

2.4 Охладители экранов и ожижители гелия.

2.5 Подвески из кевлара.

2.6 Оптимизированные токовводы.

3 Измерение интегралов поля методом натянутой проволочки.

4 Испытания магнитной системы.

4.1 Испытание прототипа вигглера.

4.2 Магнитные измерения прототипа.

4.3 Испытания вигглера в собственном криостате.

4.4 Испытания вигглера в ELETTRA, Италия.

5 Синхротронное излучение из вигглера.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхпроводящий 49-полюсный генератор синхротронного излучения с полем 3.5 Тл»

Актуальность темы

Многие источники синхротронного излучения (СИ) были разработаны в свое время для решения конкретных задач, например рентгенолитографии, материаловедения, изготовления микроструктур. Исходя из требований для этих методик проектировалась структура накопителя, выбиралась рабочая энергия электронного пучка, величина магнитного поля в поворотных магнитах, которые определяют энергию квантов спектра СИ. Одним из важных критериев при выборе магнитной структуры накопителя являлась и стоимость установки. Однако в последнее время появились задачи, для которых необходим более коротковолновый участок спектра СИ и больший поток рентгеновских квантов по сравнению с излучением из обычных поворотных магнитов. Весьма эффективным способом повышения жесткости спектра СИ уже существующих накопителей является постановка на них специальных вставных устройств ("insertion devices"), создающих на данном участке орбиты накопителя знакопеременное магнитное поле, позволяющее концентрировать в малый телесный угол излучение с достаточно большого участка траектории. Использование вигглеров (специальных многополюсных магнитов со знакопеременным магнитным полем) для генерации СИ 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 для сдвига спектра

СИ в более коротковолновую область, либо увеличение числа полюсов для увеличения потока фотонов, либо оба варианта вместе.

Это привело к созданию ряда сверхпроводящих вигглеров, работающих в специальных криостатах при температуре жидкого гелия и основанных на электромагнитах со сверхпроводящими обмотками. В ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН создание сверхпроводящих вигглеров шло по двум направлениям: трехполюсные вигглеры с максимально возможным полем на орбите частицы (получено рекордное поле для данного типа магнитов - 10.3 Тл) и многополюсные вигглеры со сравнительно небольшим уровнем поля. В данной работе представлен вигглер второго типа - с числом основных полюсов 45 и полем 3.5 Тл, и четырьмя боковыми полюсами.

Цель работы

Целью данной работы явилось создание многополюсного сверхпроводящего генератора синхротронного излучения (вигглера) с уровнем поля 3.5 Тл. Данный вигглер был разработан и изготовлен в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН в 2002 году и установлен на специализированном источнике синхротронного излучения ELETTRA (Триест, Италия).

Научная новизна

1. Создан сверхпроводящий 49-полюсный вигглер с полем 3.5 Тл при межполюсном зазоре 16.5 мм.

2. Реализована установка многополюсного вигглера на накопительное кольцо ELETTRA в качестве генератора синхротронного излучения с рассчитанным потоком фотонов более чем 4-1014 фотонов/сек/мрад2/(0.1%В\\0.

3. Создан сильнополевой полюс, являющийся основным элементом вигглера, с полем 3.5 Тл при межполюсном зазоре 16.5 мм (что не имеет аналогов в мире), использующий сверхпроводящую Nb-Ti катушку. При изменении зазора и перераспределении токов в обмотках данный полюс может быть использован в качестве универсального ключевого элемента при построении различных магнитных систем с высокой концентрацией магнитного поля.

4. Спроектирован и создан медный "лайнер" в качестве экрана для вакуумной камеры: в связи с малым межполюсным зазором в данной конструкции невозможно использовать обычную теплую вакуумную камеру. В качестве вакуумной камеры используется камера гелиевого объема с температурой 4.2 К, а внутри нее расположен медный "лайнер", соединенный по тепловому контакту с экраном 20 К.

Практическая значимость работы

Создан генератор синхротронного излучения, основным назначением которого является генерация жесткого рентгеновского излучения при установке его на накопитель заряженных частиц. При этом спектр излучения сдвигается в более коротковолновую область по сравнению с излучением из обычных поворотных магнитов накопителя, и за счет увеличения числа полюсов значительно увеличивается поток рентгеновских квантов. Эти свойства 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 СИ.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинаре в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и на следующих конференциях: СИ-98 (Новосибирск), СИ-2000 (Новосибирск), SRI-2000 (Берлин, Германия), СИ-2002 (Новосибирск), а также опубликованы в виде 13 статей.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 47 наименований, изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 8 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Кузин, Максим Витальевич

Заключение

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. На основе Nb-Ti сверхпроводящего провода создан сверхпроводящий многополюсный вигглер с рекордно высоким уровнем магнитного поля на медианной плоскости (3.66 Тл) при межполюсном зазоре 16.5 мм и периодом 64 мм. Вигглер позволяет изменять характеристики синхротронного излучения, сдвигая спектр его излучения в более коротковолновую область при значительном увеличении потока фотонов за счет увеличения числа полюсов вигглера. Вигглер включает в себя магнитную систему со сверхпроводящими обмотками, криостат для поддержания температуры жидкого гелия на магните, охладительные и ожижительные машины для реконденсации испаряющегося гелия, вакуумную систему для транспортировки электронного пучка, системы питания и защиты катушек.

2. Разработана конструкция центрального полюса, создающего на орбите электронного пучка магнитное поле 3.66 Тл при заданном межполюсном зазоре магнита 16.5 мм. Уровень поля, создаваемый обмотками, приближается к максимально возможному теоретическому пределу, определяемому токонесущей способностью сверхпроводящего Nb-Ti провода. Данный полюс в дальнейшем может быть использован в качестве ключевого элемента для создания сверхпроводящих магнитов с высоким уровнем поля при малом периоде.

3. Разработана конструкция криостата вигглера, в которой используются гелиевый объем, два медных экрана и охладительные машины для уменьшения теплопритоков в жидкий гелий. Получено значительное снижение расхода жидкого гелия по сравнению с вигглерами без ожижительных машин.

4. Предложена и реализована схема вакуумной камеры, состоящая из холодной камеры гелиевого объема температурой 4.2 К и медного лайнера внутри нее. Это дало возможность реализовать столь малый межполюсной зазор.

5. Создана система контроля качества намотки сверхпроводящих катушек, система управления уровнем поля вигглера, а также система диагностики и контроля параметров вигглера в режимах тестирования и стационарной работы на накопителе.

В заключении автор выражает глубокую благодарность Г.Н.Кулипанову за интерес к данной работе и Н.А.Мезенцеву за непосредственное руководство, В.А.Шкарубе за неоценимую помощь в подготовке работы, М.Г.Федурину и С.В.Хрущеву за ценные дискуссии и дружеское участие, В.К.Журбе, В.Х. Льву, Ю.М.Колокольникову и В.В.Кузьминых за высокий профессионализм при конструировании различных систем вигглера, В.М.Боровикову, Е.А. Бехтеневу, В.В.Репкову, А.М.Батракову за высокий профессионализм при конструировании и изготовлении электроники управления и контроля вигглера, И.В.Ильину за создание программного обеспечения, В.М.Цуканову и Е.Г. Мигинской за систему магнитных измерений, В.Б.Хлестову, М.Ю.Сергееву, Ю.В. Ногих, Б.В.Бобылеву, Э.А.Дизендорфу,

С.Т.Скоропупову, И.Б.Гургуце, А.И. Поздееву и Ю.А.Тойкичеву за надежное техническое обеспечение работ, С.П. Демину и А.Н.Драничникову за надежное криогенное и вакуумное оборудование.

Также автор выражает огромную благодарность членам своей семьи, без участия и поддержки которых данная работа не была бы написана.

149

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузин, Максим Витальевич, 2003 год

1. К. Кунц. Синхротронное излучение — свойства и применения. Москва, "Мир", 1981.

2. P.Elleaume, Proc.1991 US Particle Accelerator Conference, IEEE 91 CH 3038-7, 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, 1975.

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

6. A.Hofmann et al., Proc.6th 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. E.Wallen, G.LeBlanc, M.Eriksson, The MAX-wiggler, a cold bore superconducting wiggler with 47 3.5 Tpoles. NIM, Vol. A467-468 (2001) p.l 18-121

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 Dares bury 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.

15. J.Rossbach and Schmuser, CERN Accelerators School 5th 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, M., Мир, 1995.

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

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

23. 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

24. Grudiev A.V., Djurba V.K., Kulipanov G.N., Khlestov V.B., Mezentsev N.A., Ruvinsky S.I., Shkaruba V.A., Sukhanov S.V., Vobly P.D., Y.M.Koo,

25. D.E.Kim and Y.U.Sohn, Superconducting 7.5 Tesla wiggler for PLS. NIM, Vol. A359, No. 1-2 (1995),p.l01-106.

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

31. V.M.Borovikov, M.G.Fedurin, G.V.Karpov, D.A.Korshunov, E.A.Kuper, M.V.Kuzin, V.Mamkin, A.S.Medvedko, N.A.Mezentsev, V.V.Repkov,

32. M.G.Fedurin, M.V.Kuzin, N.A.Mezentsev, V.A.Shkaruba // Status of the activity on fabrication and application of the high-field superconducting wigglers in BudkerlNP. NIMA Vol. 470 No. 1-2, (2001) p. 34-37