Сверхпроводящий поворотный магнит с полем 9 тесла для накопителя BESSY-2 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат физико-математических наук Золотарев, Константин Владимирович

• Золотарев, Константин Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Золотарев, Константин Владимирович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхпроводящий поворотный магнит с полем 9 тесла для накопителя BESSY-2»

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 диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Золотарев, Константин Владимирович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Золотарев, Константин Владимирович, 2005 год

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.