課件201503——注入引出-2.ppt

注入引出技術第二講 切割磁鐵和沖擊磁鐵陳錦暉 2015年3月10日 粒子加速器技術 chenjh 課程內容 第一講 注入引出的物理機制和主要方式第二講 切割磁鐵和沖擊磁鐵第三講 高壓大電流快脈沖電源 本講提綱 切割磁鐵和沖擊磁鐵是注入引出系統(tǒng)中兩個最主要的部件 分別承擔著不可替代的作用 本講將從切割磁鐵和沖擊磁鐵的主要技術要求和特點出發(fā) 詳細介紹這兩種特種磁鐵常見的類型和基本結構 值得注意的是 在實際工程設計中 沖擊磁鐵及其脈沖驅動電源 第三講 必須統(tǒng)一起來考慮 稱之為沖擊磁鐵系統(tǒng) 因此 本講這部分內容將會和第三講的內容穿插起來 但會有側重點 第一部分 切割磁鐵 septum 系統(tǒng) 切割磁鐵是位于束流輸運線和環(huán)形加速器交叉銜接處的一組特種磁鐵 用于偏轉注入束 盡可能減少注入束軌道和平衡軌道的夾角 切割磁鐵既要產生很強的磁場來偏轉注入束 又不能影響在它旁邊擦肩而過的循環(huán)束流 因此 切割 二字的含義可以理解為將空間切割成兩半 一邊是由它建立的強場區(qū) 用于偏轉注入束 而另一邊必須是無場區(qū) 以免影響在那里通過的循環(huán)束流 同時切割板的厚度必須盡可能的薄 為了讓注入束盡可能地貼近環(huán)形機器的平衡軌道 通常切割磁鐵要置放在高真空中 因此除電磁性能和機械結構的特殊要求外 還必須滿足真空性能的要求 循環(huán)束 切割磁鐵的分類 按照切割板的薄厚分厚切割磁鐵 體積大 偏轉場強 薄切割磁鐵 體積小 偏轉場弱 按照切割板的材料分銅切割磁鐵 導流板型 渦流板型 鐵切割磁鐵 Lambertson鐵 注意 切割板是真實存在的一塊 板 或 壁 它是切割鐵主場區(qū)和漏場區(qū)的分界線 導流板型切割磁鐵 顧名思義 導流板型切割磁鐵勵磁電流是從切割板流過的 重點介紹 導流板型切割磁鐵是如何降低漏場 影響漏場有哪些因素 導流板型切割鐵結構 材料 工藝有什么特點 同軸穿墻件同軸 饋電端同軸 冷卻水同軸 勵磁脈沖同軸 注入束同軸 線圈內側同軸 線圈外側 切割板 同軸 切割板緊固擋板同軸 鐵芯支撐架同軸 導流板型切割磁鐵是如何降低漏場 鐵芯 導流板 線包 顯然這種類似于二極磁鐵的勵磁結構 磁間隙外有很大的漏場 是無法滿足切割磁鐵要求的 I I ab ef 鐵中 理想的導流板型切割鐵 鐵芯磁導率 無窮大 B H 導流板和鐵芯無間隙導流板中冷卻水道 安培環(huán)路定律 導流板型切割磁鐵設計考慮 1 切割鐵的基本要求 漏場小 線圈外側 切割板 嵌入磁間隙中 上下表面與鐵芯應當是滑配合 間隙盡可能小 滑配造成鐵芯和切割板存在電連接鐵芯應與真空箱絕緣隔離約1 的勵磁電流將流經鐵芯 鐵芯疊片彼此絕緣 切割板與鐵芯接觸點小 線圈內側與鐵芯絕緣良好 絕緣良好 滑配 導流板型切割磁鐵設計考慮 2 勵磁線圈要承受很大的電磁力 壓強 磁間隙的磁場密度P 4B T kg cm2 例 長1m 高30mm的切割板 在B 1T情況下 受到1 2噸的排斥力線圈需要固定 且固定件和線圈絕緣勵磁線圈隨溫度變化而伸縮 造成與固定件之間的摩擦 由于接觸面壓強大 因此摩擦力很大 材料必須耐磨切割板在電磁力作用下的形變支撐點在上下邊緣脈沖激勵情況下 要產生振動設計時 力學定量分析是必要的 導流板的定位支撐與減震 導流板型切割磁鐵設計考慮 3 電流密度與冷卻方式電流密度 J B 0d磁感應強度B和切割板厚度d定下來 再考慮到冷卻孔徑 電流密度也就定了例 B 1T d 2mm 電流密度 400A mm2 從發(fā)熱 溫升 及冷卻角度看 無論如何是不可以的 通常取100A mm2左右比較合理 過高的溫升后果 過度膨脹 絕緣介質老化 出氣 焊接處應變冷卻方式 邊緣冷卻 熱阻大 效果差 多用于1 2mm薄切割鐵 內孔冷卻 冷卻效果好 允許較大電流密度100A mm2 外方內圓銅線排焊 導流板型切割磁鐵設計考慮 4 放射性輻射劑量高 輻射會造成絕緣介質性能變壞 耐磨性減退5 要滿足高真空要求 整個切割鐵置于真空箱高真空度 10 7 10 8Torr 儲存環(huán)要求10 9 10 10Torr 全部材料要求出氣率低 耐烘烤疊片鐵芯設計 要考慮鐵芯總出氣面積大 表面絕緣處理及清洗工藝要求高冷卻水入真空箱 必須保證水管焊縫不能留在真空箱內 水 電接頭穿墻件必須滿足高真空要求6 勵磁方式 選擇脈沖勵磁 可以有效降低線圈歐姆損耗 降低溫升 提高電流密度 但是脈沖激勵下 又必須考慮鐵芯的渦流損耗 和線圈耐壓和趨膚效應 7 剩磁的影響 勵磁脈沖電流是單向的 剩磁對束流的影響不可忽視 必須進行剩磁矯正 導流板型切割磁鐵成功設計經驗 鐵芯磁性材料 高導磁率 低渦流損耗鐵芯為C型 由硅鋼片疊裝組成 片數(shù)多達幾千片 放入真空中 出氣面積很大 為減少出氣從硅片的加工工藝到表面絕緣涂層都必須有嚴格的工藝規(guī)范 長脈沖勵磁情況下可采用厚的鐵片 1 5mm 含碳0 03 矯頑力低于0 5Oe 表面絕緣可采用空氣中氧化的辦法獲得 短脈沖可考慮采用超微晶或非晶材料 導流板型切割磁鐵成功設計經驗 線圈 切割板 銅材與制作勵磁電流通常是幾千乃至上萬安培 勵磁導體電流密度很高 熱損耗上千瓦 必采用水冷 切割板材料 無氧銅 純度高于99 99 導電率指標IACS為100 純度不高 易裂 線圈制作 外方內圓的無氧銅管排焊而成外方邊寬等于切割板厚度 如若是單匝 內圓作為冷卻水通路 真空銀焊 在氬氖混合氣體保護下 785 的爐中進行 線圈端部成型要在氬氣保護之下 用歐姆熱快速退火 彎曲成型 水路并聯(lián)電路串聯(lián) 導流板型切割磁鐵成功設計經驗 絕緣材料切割磁鐵多處需要絕緣 如內導體與鐵芯之間 切割板與其固定壓板之間等等 材料要求耐磨 并且在大劑量長期輻照下 耐磨性能不減退 絕緣材料不宜采用有機材料 至少不全是有機材料 高鋁瓷 Al2O3 用等離子噴涂的辦法 在金屬表面生成60 m 0 3mm厚度不同的Al2O3絕緣膜 某些環(huán)氧或聚酰亞胺 抗輻射性能還可以 如用玻璃纖維加23 的聚酰亞胺作填充物 這種材料容易成型 可以作成所需形狀的絕緣殼 薄與厚切割磁鐵組合式結構切割板越薄越難做可將切割磁鐵做成切割板薄厚不等的多塊切割磁鐵 沿注入束前進方向 切割板由厚變薄 在注入點的最后一塊切割板最薄 比如說分成三塊 切割板厚度可以是24mm 12mm 4mm 厚切割板可以做成多匝 磁場可以更強 分擔更大的偏角 減輕薄切割磁鐵的難度 渦流板型切割磁鐵 渦流板型切割磁鐵 是利用切割板的渦流屏蔽效應達到抑制漏場的目的因此 渦流板型切割鐵一定是脈沖激勵切割板沒有勵磁電流流過 因此沒有導流板型切割磁鐵那么復雜 比較適合于薄切割鐵近十年才發(fā)展起來的一種新型磁鐵無論是理論上還是技術實踐方面都有些尚待解決的問題 渦流板型切割磁鐵 勵磁繞組是繞在磁間隙與磁軛背后 切割板即渦流板并沒有勵磁電流流過 切割板的厚度 屏蔽板 儲存環(huán)真空盒壁厚例如 上海光源預研的切割磁鐵 切割板厚度2 5mm 采取復合屏蔽 銅1 7mm鐵0 8mm 漏場小于0 1 渦流屏蔽和趨膚深度 渦流屏蔽 u d dt SdB dt趨膚深度 勵磁脈沖寬度對漏場的影響 渦流板 切割板 厚度對漏場的影響 全正弦脈沖對漏場的影響 漏場延遲特性 取決于渦流衰減常數(shù) Lambertson型切割磁鐵 發(fā)明者 Lambertson鐵切割器 切割板是 鐵 特點 只適用于作垂直偏轉 即注入束是從環(huán)形加速器水平面下方 或上方 經輸運線傳送過來 更容易在水平方向靠近環(huán)的平衡軌道 但一定與水平面存在一個夾角 優(yōu)點 最簡單 最經濟 最可靠的切割磁鐵 Lambertson型切割磁鐵結構 Lambertson鐵的技術指標 漏磁場要小 一般1 5 主場區(qū)磁場要足夠強 好場區(qū)足夠寬減小漏場基本措施 選用導磁率高的磁性材料采用圖示對稱結構 并且在可能的情況下增大 角 可采用直流勵磁 所以磁芯可采用整塊鐵 材料可選用導磁率高的電工純鐵 含碳量 0 025 BEPC上就采用了不對稱結構 引入磁分路等附加措施 同樣達到漏場為1 的指標要求 第二部分 沖擊磁鐵 kicker 系統(tǒng) 沖擊磁鐵是產生快脈沖磁場的裝置 在單次注入的情況下 沖擊磁鐵的作用是 當注入束進入到環(huán)形機器后 第一次與平衡軌道交叉的一瞬間 使其偏轉成與平衡軌道相切 落在機器接受度的中心位置 在多次或多圈注入情況下 由分別安放在適當位置上的若干 2 4 塊沖擊磁鐵共同作用 造成局部平衡軌道的凸起 使接受度移向注入束 即移向薄切割鐵出口 將注入束包容在接受度之中 這個動作只發(fā)生在注入的一瞬間 要求脈沖磁場的建立和消失必須足夠快 幾十納秒 幾百納秒 沖擊磁鐵系統(tǒng) 包括脈沖磁鐵和脈沖電源 是一個高壓 大電流 快脈沖技術綜合體 同時又是真空 電磁 機械為一體的特種設備 磁鐵或是電源的負載 電感 或是電源不可分割的一部分 諧振元件或匹配傳輸線 沖擊磁鐵系統(tǒng)分類 按照脈沖波形分 時間分布 主要由脈沖源決定 半正弦 半正弦波脈沖源 沖擊磁鐵梯形波 軟管 矩形脈沖的形成網(wǎng)絡 線 沖擊磁鐵 硬管 固態(tài) 儲能電容 沖擊磁鐵按照線圈結構參數(shù)形式分集中參數(shù) 空心線圈 鐵氧體窗框 開縫導流管型 slotted pipe 分布參數(shù) 延遲線型 人工線 傳輸線型 strip line 按kicker場的極數(shù)分 空間分布 脈沖二極鐵脈沖多極鐵 六極 八極 沖擊磁鐵的共同點 沖擊磁鐵是一種快脈沖電磁設備 ns s 快脈沖磁場會因為渦流屏蔽效應而無法穿透金屬真空盒 因此線圈必須置于真空盒內 或采用陶瓷真空盒 線圈在真空盒外 快脈沖磁場是由快脈沖電流產生的線圈結構 電流引線和穿墻件是構成沖擊磁鐵系統(tǒng)的負載電感 L I 只有線圈結構電感對應的磁場才作用于束流 才是有用 根據(jù)脈沖電流和電壓的對應關系 U Ldi dt 電流脈沖越快 需要的脈沖電壓也越高 有效降低脈沖放電回路中不必要的寄生電感 如引線 穿墻件 有利于降低脈沖高壓 將一塊較長的沖擊磁鐵分成幾塊較短的鐵 也是提高脈沖速度的常規(guī)手段 應采用盡可能簡單的線圈結構 沖擊磁鐵設計的基本原則 空心線圈沖擊磁鐵 單匝空心線圈是最簡單的沖擊磁鐵類型 適合于 偏轉量不大允許足夠長低流強機器 如 BEPC優(yōu)點 簡單可靠成本低缺點 勵磁效率低 脈沖電流大 場均勻性差 較鐵氧體窗框型 束流阻抗高供電特點 線圈和真空盒隔離 可以在一端接地 相對論速度運動的帶電粒子 束流尾場 束流尾場 由于真空盒不是理想導體或存在不連續(xù)結構 粒子在真空管道中激勵起隨時間衰減的電磁場 這種電磁場會對后續(xù)粒子產生作用 因此稱為尾場 WakeField 尾場有縱向尾場和橫向尾場 可以用尾場函數(shù)描述時域中帶電粒子與環(huán)境的相互作用 尾場作用于束流 引起單束流集體效應 包括 單束團效應 束團拉伸 束團能散增大 發(fā)射度增長多束團效應 縱向和橫向耦合束團不穩(wěn)定性尾場作用于真空部件 產生高次模 引起局部發(fā)熱 導致真空下降 甚至燒毀 真空部件的束流阻抗 束流耦合阻抗 是尾場函數(shù)的傅立葉變化 是尾場作用在頻域的描述 尾場和阻抗是對同一事物的兩種描述方式 各有特點 束流阻抗完全由粒子所通過的真空盒結構決定 與束團分布無關 反映了真空部件的特性 低束流阻抗結構 必須為束流提供光滑低阻的鏡像電流通路BEPC空心線圈沖擊磁鐵 真空管兩端設計成錐形和環(huán)真空盒對接以減小阻抗但是 這種結構束流阻抗仍然很大對于高流強機器BEPCII 無法滿足要求 開縫導流管型沖擊磁鐵 Slotted pipekicker 結構形式 在常規(guī)金屬真空盒上下兩個壁上開有四個狹縫 兩邊真空盒壁作為勵磁導體與沖擊磁鐵脈沖電源相連 真空盒上下兩個壁上留有兩條金屬帶 并且兩端與環(huán)上真空盒平滑連接 導流管很像標準真空管道的一部分 因此鏡像電流將從這兩個金屬帶上順利流過 從而獲得很低束流阻抗 注意 開縫管本身不是真空管 在外面還是要套一個真空箱 優(yōu)點 束流阻抗很低 損失因子比空心線圈型kicker小1個半數(shù)量級缺點 場均勻型較差 金屬帶對脈沖場渦流屏蔽作用 供電特點 線圈中點與真空盒相連 處于地電位 陶瓷板鍍膜型沖擊磁鐵 沖擊磁鐵結構上 場均勻性和束流阻抗是一對矛盾 鏡像電流板的寬窄 薄厚和材料電阻率及磁導率選取 是這對矛盾平衡的結果 BEPCII對沖擊磁鐵的場均勻性和束流阻抗都有很高的要求 解決方案 鏡像電流板采用陶瓷板鍍膜結構高鋁瓷板作固定支撐表面電阻 方阻 為0 2歐姆 寬度40mm的金屬膜替代鏡像電流板工藝難點 大尺寸高鋁瓷板制作 瓷和銅的熱膨脹 金屬膜材料 鍍膜工藝 散熱 壽命問題仍有待解決 供電特點 和Slotted pipekicker相同 線圈中點和真空盒相連 處于地電位 鐵氧體窗框型沖擊磁鐵 為了提高勵磁效率 長度限制 改善場分布的均勻性 可以采用帶磁芯的沖擊磁鐵 磁性材料 快脈沖磁場不能采用硅鋼片 而應該采用高頻特性較好的鐵氧體或是非晶超微晶材料 磁鐵整體置于真空盒內或采用陶瓷真空盒上海光源的引出系統(tǒng) CSNSRCS環(huán)的引出就是采用這種類型的鐵 集中參數(shù)沖擊磁鐵設計計算 設計前提 沖擊磁鐵總偏角 磁孔徑寬度 磁孔徑高度 所允許總長度 磁場均勻性及好場區(qū)寬度 梯形波上升 或下降 時間 梯形波平頂寬度 粒子動量等 設計步驟如下 人工線型沖擊磁鐵 集中參數(shù)沖擊磁鐵是電感負載會造成前沿與平頂變壞 將沖擊磁鐵本身做成與系統(tǒng)匹配的人工線形式 稱之為仿真線 延遲線 型沖擊磁鐵 屬于分布參數(shù)沖擊磁鐵 準確的講不是傳輸線結構 而是人工線優(yōu)點 通過阻抗控制 可以和傳輸電纜 終端負載 脈沖形成線 網(wǎng)絡 構成匹配傳輸系統(tǒng) 速度快缺點 結構較為復雜適合于前沿很陡的梯形波沖擊磁鐵系統(tǒng) 1 饋電插座 2 定位框架 3 電容器高低電位極板 4 內 外勵磁導體 5 鐵氧體磁芯 6 高鋁瓷撐柱 7 調整定位支腿 人工線型沖擊磁鐵結構 Strip line傳輸線型kicker 分布參數(shù)型kicker 是真正意義上的傳輸線嚴格的說 它不能叫沖擊磁鐵 因為偏轉場不再單純是脈沖磁場 而是帶狀傳輸線里傳輸?shù)腡EM行波電磁場 因此又叫作行波kicker特點 脈沖速度快 脈沖寬度可以小于5 10納秒 但是受到超高真空擊穿場強極限和脈沖驅動電源技術水平的限制 場強不高 實際應用中通常需要較長的注入直線節(jié)適合于低發(fā)射儲存環(huán)在軸注入 如未來先進光源 和ILC阻尼環(huán)的注入和引出 同軸傳輸線中的TEM波 strip line微波傳輸線 典型的strip linekicker及電磁場分布 從 波 的角度分析 根據(jù)TEM波阻抗計算公式不難得出 以光速運動的電子通過strip linekicker 所感受到的電場力和磁場力大小相等 磁場力的方向和電子的運動方向有關 為了保證電場力和磁場力的方向一致 要求正電子的飛行方向要和電磁波的行進方向相反 從 路 的角度分析 strip line傳輸線等效電路 從strip linekicker等效電路看 L C是每一節(jié)微元dx的電感和電容 d是兩極板間距離 w是strip line的線寬 波速v c 各個諧波分量在通過傳輸線的時候 伴隨著電磁能量在每級電容和電感中相互轉化 類似于LC諧振網(wǎng)路 由諧振網(wǎng)絡我們可以得出電感電壓和電容電壓相等 則有 同樣可以證明當TEM波和粒子都以光速運動的時候 電場和磁場的作用力是相等的 Strip linekicker的設計計算 既然strip linekicker對粒子的作用力既有磁場力又有電場力并且幅值相等 那么在物理設計上我們可以給出簡單的計算公式 這里 是偏轉角度 單位是rad W是粒子能量 單位是eV U是strip line兩導流極板間電壓 單位是V l是strip linekicker的有效長度 d是strip line兩導流極板間距離 w是strip line的寬度 g是幾何修正因子 和極板的幾何形狀有關 Strip linekicker的設計計算 束團間距 strip linekicker長度 電脈沖寬度和偏轉量的關系 為