ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 1, с. 44-48
УДК 537.626:621.384.66:621.389
МУЛЬТИПОЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ДЛЯ БУСТЕРА BNL (США)
И ЛИНАКА MAX IV LAB (ШВЕЦИЯ)
© 2015 г. А. М. Батраков, П. Д. Воблый, Д. С. Гуров, В. В. Зуев, В. В. Кобец, Н. Б. Нефёдов, А. Б. Огурцов, А. В. Павленко, А. В. Уткин, А. В. Филипченко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск E-mail: a.v.utkin@inp.nsk.su
В статье описываются квадрупольные и секступольные электромагниты для бустера синхротронно-го накопителя NSLS-II BNL (США) и квадрупольные линзы для линака синхротронного накопителя MAX IV Lab (Швеция). В работе представлены два метода изготовления железного ярма магнитов и описание измерительной системы мультипольных гармоник магнитного поля линз с компенсацией основной гармоники.
DOI: 10.7868/S0367676515010068
ВВЕДЕНИЕ
В ИЯФ СО РАН разработаны и изготовлены 25 квадрупольных и 17 секступольных электромагнитов для бустера синхротронного накопителя NSLS-II BNL (США) [1] и 47 квадрупольных линз двух типов для линака синхротронного накопителя MAX IV Lab (Швеция).
К мультипольным магнитам предъявлялись следующие основные требования:
♦ работа магнитов постоянна для обоих типов F и B для линака MAX IV Lab и с частотой 2 Гц для бустера BNL;
♦ максимальный градиент магнитного поля в квадрупольных линзах G = 20.4 Тл • м-1 при эффективной магнитной длине L = 0.3 м для бустера, G = 40 Тл • м-1 (линза тип F) и G = 10 Тл • м-1 (линза тип B) при L = 0.2 м для линака;
♦ максимальная секступольная гармоника магнитного поля в секступольной линзе K2 = = 200 Тл • м-2 при эффективной магнитной длине L = 0.12 м для бустера;
♦ минимально допустимый вписанный диаметр в квадрупольных линзах d = 25 мм (тип F и B для линака MAX IV Lab) и d = 50 мм (бустер NSLS-II), в секступольных линзах d = 40 мм (бустер NSLS-II);
♦ высшие гармоники (номер гармоники больше основной) магнитного поля должны быть для квадрупольных линз <10-3 по отношению к основной гармонике, для секступольных линз <10-2;
♦ Положение магнитной оси в мультипольных линзах должно быть определено с погрешностью <30 мкм.
Эти требования определили конструктивные особенности магнитов.
МУЛЬТИПОЛЬНЫЕ МАГНИТЫ
Квадрупольные линзы для бустера NSLS-II и линзы тип F для линака имеют токовые катушки охлаждаемые водой. Магниты квадрупольные тип B для линака и секступольные для бустера имеют токовые катушки воздушно охлаждаемые.
Конструкции железного ярма мультипольных магнитов рассчитывались с помощью программы для магнитостатических расчетов "Mermaid".
Величина высших гармоник мультипольных линз определяется в основном точностью изготовления и сборки железного ярма.
Конечно, можно добиться минимальных величин высших гармоник в магнитах при помощи их индивидуальных доработок по результатам магнитных измерений, но в этом случае существенно возрастает время изготовления и стоимость магнитов.
Так как магниты для бустера должны работать с частотой до 2 Гц, железное ярмо мультипольных магнитов состоит из склеенных железных пластин толщиной 1 мм. Пластины изготовлены методом штамповки. Отклонения геометрии пластин от расчетной составляют по модулю <15 мкм. Отклонения величин межполюсных расстояний железного ярма в собранных магнитах по модулю <50 мкм (рис. 1).
Квадрупольные магниты тип F и тип B для ли-нака различаются между собой только токовыми катушками. Железное ярмо квадрупольных магнитов для линака MAX IV Lab выполнено из сплошного магнитомягкого железа. Такое железо обладает изотропной магнитной проницаемостью, поэтому теоретические расчеты магнитных полей мультипольных линз лучше согласовываются с реальностью, чем расчеты, выполненные в
МУЛЬТИПОЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ДЛЯ БУСТЕРА BNL
45
Нижний допуск = —0.0150 шш
Рис. 1. Механические измерения геометрии пластины квадрупольной линзы для бустера
h
Рис. 3. Железное ярмо квадрупольного магнита после обработки на электроискровом станке.
случае применения шихтованного железа. Диаметр вписанной окружности квадрупольных линз для линака в 2 раза меньше, чем у квадрупольных линз для бустера, поэтому и отклонения геометрии полюсов от расчетной геометрии должны быть меньше. В связи с этим применили следующий способ изготовления линз.
Железное ярмо квадрупольных магнитов для линака собирали с полюсами, имеющими припуск
Рис. 2. Железное ярмо квадрупольного магнита, имеющего припуск с внутренней апертуры линзы.
Рис. 4. Квадрупольная линза для линака MAX IV Lab.
с внутренней апертуры линзы (рис. 2). Затем в собранном железном ярме линзы на электроискровом станке вырезали внутренний профиль полюсов (рис. 3). На эту процедуру затрачивалось примерно 12 часов, что вполне приемлемо при серийном производстве квадрупольных линз. На рис. 4 представлено железное ярмо после обработки внутреннего профиля полюсов. После установки токовых катушек на ярмо магнита, отклонения
46
БАТРАКОВ и др.
Рис. 5. Механические измерения внутренней геометрии квадрупольной линзы для линака MAX IV Lab .
величин межполюсных расстоянии от заданных значений по модулю составляли <25 мкм (рис. 5).
Основные параметры мультипольных магнитов приведены в табл. 1.
МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЗ
Для магнитных измерений и определения положения магнитной оси мультипольных линз бы-
ли разработаны и изготовлены два специальных стенда (рис. 6). Стенд магнитных измерений состоит из массивной станины, на которой базируются столик для установки мультипольных магнитов, стойка для установки лазерного трекера, базы для установки вала вращающейся измерительной катушки.
Магнитные измерения проводились при помощи вращающегося измерительного вала [2]. Вдоль оси измерительного вала расположена многослойная печатная плата на которой находятся измерительные контуры. Измеряется компонента Бч магнитного поля. Для измерения 1 и 2 гармоник магнитного поля и определения положения магнитной оси в квадрупольных линзах используются контуры С1 и С2. Для определения высших гармоник магнитного поля используются контуры С3, С4 и С5, скомутированные так, что-
C1
C2
C3
C4
C5
Рис. 6. Стенды магнитных измерений с квадрупольны-ми и секступольными магнитами для бустера NSLS-II.
Рис. 7. Схема измерительных контуров катушек. ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 1 2015
МУЛЬТИПОЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ДЛЯ БУСТЕРА ВМЬ 47
Таблица 1
Квадрупольная линза (ВМЬ) Секступольная линза (BNL) Квадрупольная линза тип F (MAX IV Lab) Квадрупольная линза тип B (MAX IV Lab)
Вписанный диаметр 50 мм 40 мм 25 мм 25 мм
Эффективная магнитная длинна 0.3 м 0.12 м 0.2 м 0.2 м
Величина основной гармоники 20.4 Тл • м-1 200 Тл • м2 40 Тл • м-1 10 Тл • м-1
Максимальный ток 180 А 6 А 110 А 8 А
Максимальная потребляемая мощность 0.9 кВт 47 Вт 1.1 кВт 37 Вт
Вес 250 кг 46 кг 45 кг 45 кг
Таблица 2
Квадрупольная линза (BNL) Секступольная линза (BNL) Квадрупольная линза тип F (MAX IV Lab) Квадрупольная линза тип B (MAX IV Lab)
Вклад гармоники 2 см 1.5 см 1 см 1 см
на радиусе
Эффективная магнит- 0.3 м 0.12 м 0.2 м 0.2 м
ная длина
Гармоника амплитуда (Тл) отношение амплитуда (Тл) отношение амплитуда (Тл) отношение амплитуда (Тл) отношение
1 2.37E-04 5.30E-04 3.68E-05 7.17E-04 4.17E-04 1.01E-03 1.05E-04 1.01E-03
2 4.47E-01 1.00E+00 1.86E-04 3.64E-03 4.11E-01 1.00E+00 1.04E-01 1.00E+00
3 6.64E-05 1.49E-04 5.13E-02 1.00E+00 1.68E-04 4.09E-04 1.97E-05 1.89E-04
4 8.36E-05 1.87E-04 3.19E-05 6.22E-04 3.96E-05 9.62E-05 1.55E-05 1.49E-04
5 3.83E-06 8.58E-06 1.95E-05 3.81E-04 1.27E-05 3.09E-05 5.15E-06 4.94E-05
6 3.97E-06 8.89E-06 1.02E-05 1.98E-04 4.07E-05 9.90E-05 5.85E-06 5.61E-05
7 5.11E-06 1.15E-05 6.86E-06 1.34E-04 7.72E-06 1.88E-05 3.47E-06 3.33E-05
8 2.94E-06 6.57E-06 9.53E-06 1.86E-04 6.14E-06 1.49E-05 2.38E-06 2.28E-05
9 1.37E-06 3.06E-06 5.43E-05 1.06E-03 2.36E-06 5.74E-06 1.41E-06 1.36E-05
10 6.15E-05 1.38E-04 4.40E-06 8.58E-05 3.48E-05 8.45E-05 8.09E-06 7.77E-05
11 2.03E-06 4.55E-06 3.64E-06 7.09E-05 8.25E-07 2.01E-06 8.56E-07 8.21E-06
12 9.75E-07 2.18E-06 1.86E-06 3.63E-05 7.22E-07 1.76E-06 7.86E-07 7.54E-06
13 8.98E-07 2.01E-06 2.46E-06 4.79E-05 6.12E-07 1.49E-06 1.20E-06 1.15E-05
14 1.97E-06 4.41E-06 1.91E-06 3.72E-05 2.37E-07 5.75E-07 5.54E-07 5.31E-06
бы сигнал от 1 и 2 гармоник магнитного поля был циям, и точность измерения высших гармоник
скомпенсирован, (рис. 7):
C 5 + C 3 U = C5 + C- - C4.
Таким образом, магнитные измерения становятся нечувствительными к разного рода вибра-
магнитного поля многократно возрастает. Положения магнитной оси мультипольного магнита относительно стенда магнитных измерений определялось с погрешностью <10 мкм. При помощи лазерного трекера определяли положение геознаков мультипольного магнита относительно стен-
48
БАТРАКОВ и др.
да магнитных измерений с погрешностью 10 мкм. Затем положение геознаков магнита пересчиты-валось, чтобы привязать положение геознаков к магнитной оси линзы. Таким образом, погрешность привязки магнитной оси мультипольных линз к их геознакам была 20 мкм.
Измерительная аппаратура подробно описана в [3].
Результаты магнитных измерений квадруполь-ных линз представлены в табл. 2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ИЯФ СО РАН изготовил 25 квадрупольных, 17 секступольных магнитов для бустера М8Ь8-П, 47
квадрупольных магнитов для линака MAX IV Lab. Ни один магнит по результатам магнитных измерений не потребовал доработки. Все магниты соответствовали предъявляемым требованиям.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gurov S.M. et al. Status of NSLS-II booster // ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. № 4(80).
2. Tsyganov A. et al. Stand for precise measurements of magnetic lenses field quality* // https://accelconf.web.cern.ch/ accelconf/rupac2012/papers/weppc022.pdf
3. Batrakov A. et al. "Multimode digital integrators for precise magnetic measurements" // http://accelconf.web.cern.ch/ accelconf/rupac2012/papers/weppd032.pdf
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.