Содержание к диссертации
Введение 3
Обзор 9
Постановка задачи 18
1 Магнитная система вигглера 24
-
Выбор геометрии магнитной системы 24
-
Центральный полюс вигглера 29
-
Выбор сверхпроводящего провода 30
-
Выбор формы обмотки и оптимизация величины тока для получения максимального поля 36
-
Схема питания двухсекционных обмоток 49
-
Конструкция и технология изготовления центральных полюсов 52
-
Требования к конструкции центрального полюса 52
-
Изготовление прототипа центрального полюса 56
-
Станок для намотки катушек 61
-
Технологический цикл намотки катушки 64
1.3 Магнитопровод 67
-
Расчет магнитопровода 73
-
Основные особенности конструкции магнитной системы 80
2 Криогенная система вигглера 84
2.1 Конструкция криостата 85
2.1.1 Внешний бак криостата и медные экраны 87
-
Гелиевый объем вигглера 91
-
Система заливки и газоотвода 94
-
Вакуумная камера 95
-
Захолаживание вигглера 97
-
Охладители экранов и ожижители гелия 101
-
Подвески из кевлара 103
-
Оптимизированные токовводы 104
-
Измерение интегралов поля методом натянутой проволочки 108
-
Испытания магнитной системы 115
-
Испытание прототипа вигглера 117
-
Магнитные измерения прототипа 122
-
Испытания вигглера в собственном криостате 125
-
Испытания вигглера в ELETTRA, Италия 131
5 Синхротронное излучение из вигглера 140
Заключение 146
Литература 149
Введение к работе
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.
Реализована установка многополюсного вигглера на накопительное кольцо ELETTRA в качестве генератора синхротронного излучения с рассчитанным потоком фотонов более чем 4-Ю14 фотонов/сек/мрад2/(0.1%В\).
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.
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 экономиче-
6 ски 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.
Во введении и обзоре рассматриваются причины и предпосылки для создания сверхпроводящих вставных устройств (вигглеров). Показана необходимость и эффективность их установки на действующие накопители в качестве источников синхротронного излучения, главными из которых являются значительное увеличение потока излучаемых фотонов и сдвиг его спектра в более коротковолновую область. Показана необходимость применения сверхпроводящих электромагнитов для получения высокого уровня магнитного поля. Приведен краткий обзор создания и применения вигглеров, отмечены осо- бенности некоторых существующих сверхпроводящих вигглеров. Формулируются требования к созданию многополюсного вигглера с уровнем поля 3.5 Тл для накопителя ELETTRA. Описана структура и содержание работы.
В первой главе дается подробное описание магнитной системы вигглера. Приводится обоснование выбора распределения магнитного поля вигглера, длины его периода. Описан расчет конструкции, выбор сверхпроводящего провода и секционирование сверхпроводящей катушки ключевого элемента вигглера - центрального сверхпроводящего полюса. Приведено описание оптимизации его формы и силы тока, технология и оборудование для его изготовления, приводится описание различных тестов прототипов центрального полюса. Также в данной главе приводится описание магнитной системы в целом, особенности конструкции, назначение и основные функции магнитопро-вода вигглера, описывается система позиционирования и фиксации катушек в магнитопроводе. Показаны теоретические расчеты распределения магнитного поля в сверхпроводящей катушке в пространстве.
