Содержание к диссертации
Введение 4
Постановка задачи 9
1 Глава: Магнитная система 13
Выбор геометрии магнитных элементов 14
Секционирование обмоток 17
Магнитное ярмо 26
2 Глава: Криогенная система 30
Верхний криостат 31
Тоководы 33
Нижний криостат 36
3 Глава: Измерение магнитного поля 38
Способы измерений 40
Методы обработки измеренных данных 44
Геометрическая коррекция 44
Абсолютная и взаимная калибровка датчиков Холла 49
Оценка локальных неоднородностей и локальных мультипольных моментов в распределении магнитного поля 53
4 Глава: Влияние магнита на параметры электронного пучка в
накопителе BESSY-2 62
4.1 Стратегия выбора способа замены магнита в накопителе
BESSY-II. 64
4.2 Параметры СИ из магнита 71
5 Глава: Проект компактного накопителя для индустриальных
применений 76
Заключение 86
Список рисунков 89
Список таблиц 93
Список литературы 95
Введение к работе
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
становятся индустриальные-технологические приложения с использованием СИ.
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
используемых квантов. Причем для большинства задач проблема ужесточения спектра имеет большую важность.
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.
