Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. МАГНИТНАЯ СИСТЕМА MLS 11
1.1. ЭЛЕМЕНТЫ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ НАКОПИТЕЛЬНОГО
КОЛЬЦА ИСТОЧНИКА СИ 11
Поворотные магниты 14
Мультипольные магниты 20
1.2. ПАРАМЕТРЫ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ НАКОПИТЕЛЬНОГО
КОЛЬЦА MLS 25
ГЛАВА 2. ПОВОРОТНЫЕ МАГНИТЫ ДЛЯ MLS 28
ТРЕБОВАНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ПОВОРОТНЫХ МАГНИТОВ 28
КОНСТРУКЦИИ ПОВОРОТНЫХ С- ОБРАЗНЫХ МАГНИТОВ 29
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПОВОРОТНОГО МАГНИТА MLS 31
2D моделирование магнитных полей 32
3D моделирование магнитных полей 38
2.4. КОНСТРУКЦИЯ ПОВОРОТНОГО МАГНИТА MLS 43
Сердечник поворотного магнита 43
Катушки поворотного магнита 47
Опоры под геодезические знаки 49
ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВО И МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
ПОВОРОТНЫХ МАГНИТОВ 51
3.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ СЕРДЕЧНИКОВ ДИПОЛЕЙ 51 '
Штамповка пластин 51
Сборка сердечника 52
Измерение механических параметров сердечников 54
Изготовление катушек поворотных магнитов 54
Выставка опор для геодезических знаков 56
Поворотный магнит в сборе 58
Подставка для поворотного магнита 58
3.2. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВОРОТНЫХ
МАГНИТОВ MLS 60
Измерительная система на основе датчиков Холла 60
Измерение магнитных полей 67
ГЛАВА 4. МУЛЬТИПОЛЬНЫЕ МАГНИТЫ ДЛЯ MLS 73
ТРЕБОВАНИЯ НА МУЛЬТИПОЛЬНЫЕ МАГНИТЫ ДЛЯ MLS 73
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ МУЛЬТИПОЛЬНЫХ МАГНИТОВ 74
Моделирование квадрупольного магнита 74
Моделирование секступольного магнита 80
Моделирование октупольного магнита 84
Выводы по результатам моделирования мультиполей MLS.. 87
4.3. КОНСТРУКЦИЯ МУЛЬТИПОЛЬНЫХ МАГНИТОВ 88
Конструкция квадруполей 88
Конструкция секступольных магнитов : 91
Конструкция октупольных магнитов 94
Подставки магнитов и выставка магнитов на гирдере 95
ГЛАВА 5. ПРОИЗВОДСТВО И МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
МУЛЬТИПОЛЕЙ 97
5.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ СЕРДЕЧНИКОВ МАГНИТОВ 97
Штамповка пластин 97
Склейка сегментов сердечников линз 98
Изготовление катушек мультиполей 99
Сборка мультипольных магнитов 100
5.2. ИЗМЕРЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЕРДЕЧНИКОВ
МАГНИТОВ 101
5.2.1. Квадрупольный магнит 101
Секступольный магнит 102
Октупольный магнит 104
Тестовые испытания магнитов в сборе 106
5.3. МАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ МУЛЬТИПОЛЕЙ 107
Измерительная система «Вращающаяся радиальная катушка»... 107
Результаты измерения квадрупольных магнитов (SRQ) 114
Результаты измерения секступольных магнитов (SRS) 117
Результаты измерения октупольных магнитов (SRO) 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 124
Введение к работе
Синхротронное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися по искривлённым магнитным полем траекториям с релятивистскими скоростями [1, 2].
Для частиц с энергией Е » тс излучение в области высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора 6~тс2/Я~1/у. В плоскости орбиты электрона излучение поляризовано линейно с вектором поляризации, лежащим в плоскости орбиты. На некотором угловом расстоянии от этой плоскости наблюдается эллиптическая поляризация, знаки по обе стороны от плоскости орбиты противоположны.
Благодаря своим уникальным свойствам синхротронное излучение может использоваться для исследований в атомной физике, материаловедении, химии, биологии и медицине [1, 2, 3].
Первыми источниками синхротронного излучения были установки, первоначально сооруженные для решения задач физики высоких энергий. К этому поколению источников относятся так же электрон-позитронные ускорители в ИЯФ СО РАН ВЭПП-2М и ВЭПП-3, 4 [4]. Подобные источники синхротронного излучения не обладают той гибкостью, которая позволяла бы им удовлетворять разнообразным нуждам сотен пользователей СИ. Быстрый рост числа исследований с использованием СИ привел к созданию специализированных источников, спроектированных с учетом потребностей всех возможных пользователей и работающих только для производства СИ. В этих машинах используется жесткая фокусировка пучка, позволяющая получить малый эмиттанс (соответственно, малый поперечный размер пучка).
Кроме этого, для получения большей интенсивности СИ или более
монохроматического спектра излучения при высокой интенсивности в
специализированных источниках используются генераторы СИ: вигтлеры и
ондуляторы [5]. ',
С конца 90-х годов прошлого века до настоящего времени специализированные источники СИ были построены практически во всех крупных научных центрах в мире, ИЯФ принимал непосредственное участие в создании многих из этих машин: «Сибирь» (Россия), BESSY-II (Германия), SLS (Швейцария), SAGA (Япония), SOLEIL (Франция), DIAMOND (Англия) и многих других.
В последние годы наблюдается рост числа узкоспециализированных технологических приложений СИ. Большой рост количества приложений в ИК и ВУФ областях спектра излучения привел к появлению спроса на специализированные источники, работающие в этом диапазоне, максимально
оптимизированные с точки зрения пользователей, имеющие компактные размеры и относительно невысокую стоимость.
Немецкий национальный центр метрологии «Physikalisch-Technische Bundesanstalt» (РТВ) использует СИ для метрологии и связанных с ней, исследований в науке и производстве. В рамках этой деятельности в РТВ был построен новый специализированный источник СИ MLS на энергию электронов до 600 МэВ, специально спроектированный только под задачи метрологии [6, 7, 8]. РТВ использует СИ для работ в области метрологии с 1982 года, когда начал свою работу синхротрон BESSY I. После остановки BESSY І РТВ организовало свою лабораторию на BESSY II, перейдя к исследованиям с помощью СИ только в области рентгеновского излучения
7 (энергии фотонов свыше 6 кэВ). Необходимость проведения исследований и прикладных работ в длинноволновом диапазоне привела к появлению источника синхротронного излучения MLS, создание которого было начато осенью 2004 года.
Специализированный источник MLS состоит из накопительного кольца, микротрона и электронно-оптического канала между микротроном и накопительным кольцом. Инжекция в накопительное кольцо производится из 100 МэВ микротрона. Периметр накопительного кольца MLS 48 метров, энергия пучка электронов может меняться в диапазоне от 200 до 600 МэВ. Ток пучка электронов в накопительном кольце может изменяться в диапазоне от 1 пА до 200 мА. Расчетное время жизни пучка при токе 200 мА для энергии 200 МэВ составляет 10 часов, а для энергии 600 МэВ больше 1 часа.
Параметры СИ генерируемого MLS, позволяют проводить прецизионные измерения и калибровку приборов в спектральном диапазоне от терагерцового и инфракрасного излучения до жесткого ультрафиолета (EUV) [9, 10]. Работа в этом спектральном диапазоне значительно расширяет возможности РТВ, в течение последних лет работавшего с СИ только коротковолнового диапазона от жесткого ультрафиолета до рентгена на источнике СИ BESSY И.
Предполагается использовать MLS для решения следующих задач в области метрологии:
Как первичный эталонный источник для калибровки различных источников ' излучения в ультрафиолетовом диапазоне (7 нм - 400 нм) [9].
Для калибровки полупроводниковых детекторов излучения в диапазоне 4 -400 нм [9].
Для рефлектометрии в диапазоне жесткого ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения (4 - 40 нм) [9].
Радиометрия в ИК и терагерцовом диапазонах (0,6 - 20 мкм) [10]. Магнитная система накопительного кольца MLS состоит из четырех
суперпериодов разделенных двумя длинными (6 м) и двумя короткими (2,5 м) прямолинейными промежутками. В качестве генераторов СИ используются поворотные магниты и установленный в одном из прямолинейных промежутков ондулятор U180 (производства BESSY II). Магнитная система накопительного кольца MLS содержит: 8 поворотных магнитов, 24 квадрупольных, 24 секступольных и 4 октупольных линзы. Использование MLS как первичного эталонного источника для метрологии приводит к возникновению жестких требований на стабильность положения точек излучения, что, в свою очередь, приводит к высоким требованиям к магнитным параметрам элементов магнитной системы и к стабильности этих параметров внутри серии однотипных элементов. Магнитная система отличается плотной компоновкой элементов, и при этом позволяет выводить большое число каналов СИ, в результате чего возникают жесткие требования к конструкции отдельных магнитных элементов (габаритным размерам, типу сердечника, числу сегментов, процедуре сборки/разборки и т.д.). Комплексный подход, включающий: выбор подходящей конструкции магнитов, подробное 2-х и 3-х мерное моделирование магнитных параметров, контроль механических параметров магнитов в процессе производства и сборки и магнитные измерения магнитов, подробно описанный в данной диссертации, позволил создать полный набор элементов магнитной системы, удовлетворяющий вышеперечисленным требованиям.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе рассмотрены назначение, конструкция и основные параметры отдельных элементов магнитной системы специализированных источников СИ: дипольных, квадрупольных, секступольных и октупольных магнитов. Приведены определения основных параметров, характеризующих магнитные свойства элементов, которые затем используются в тексте диссертации. Описана схема и основные параметры магнитной системы накопительного кольца MLS.
Во второй главе обосновывается выбор конструкции поворотного магнита MLS. Приводятся и обсуждаются результаты 2-х и 3-х мерного моделирования магнитных полей. На основании результатов моделирования формулируются требования к точности изготовления сердечников магнитов.
В третьей главе описан процесс производства поворотных магнитов, проанализированы результаты измерения механических параметров сердечников. Описана методика измерения магнитных полей с помощью датчиков Холла и разработанное в ИЯФ для этих целей измерительное оборудование. Приводятся результаты измерения магнитных параметров 8 поворотных магнитов, проводится анализ результатов измерений, и их сравнение с результатами моделирования магнитных полей.
В четвертой главе обосновывается выбор конструкции квадрупольных, секступольных и октупольных линз MLS. Обсуждаются результаты 2-х и 3-х мерного моделирования магнитных параметров мультипольных линз, на основании которых формулируются требования на механические точности изготовления сердечников мультиполей.
В пятой главе рассмотрены основные этапы производства мультипольных линз, анализируются результаты механических измерений сердечников линз.
10 Подробно описана методика измерения магнитных параметров мультиполей методом радиальной вращающейся катушки. Приводится сравнение результатов измерений с результатами моделирования.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту.
Работа проходила в тесном сотрудничестве специалистов ИЯФ и научно-исследовательского центра BESSY (Германия), а также Национального центра метрологии Германии (РТВ) в 2004-2007 годах. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в реферируемых научных журналах [11, 12, 13, 14] и докладывались на российских и международных научных конференциях [15, 16, 17].
