Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Типы ондуляторов и технологии их изготовления 18
1.1. Плоские и спиральные ондуляторы 18
1.2. Однородные и профилированные ондуляторы 19
1.3. Электромагнитные ондуляторы и ондуляторы на постоянных магнитах 20
1.4. Безжелезные и гибридные ондуляторы 22
1.5. Сравнение технологий изготовления ондуляторов 24
Глава 2. Развитие ондуляторных технологий 27
2.1. Плоские ондуляторы на постоянных магнитах с короткими периодами и максимальными полями 27
2.2. Высокие требования на однородность и периодичность полей 29
2.3. Фокусировка собственными полями ондуляторов 30
2.3.1. Естественная (вертикальная) фокусировка в ондуляторах 31
2.3.2. Горизонтальная фокусировка в ондуляторах 32
2.4. Разработка ондуляторных схем с фокусировкой в обеих плоскостях 35
2.4.1. Схема с С-образной формой полюсов 36
2.4.2. Схема с противоположно направленными боковыми магнитами... 38
2.4.3. Схема с одинаково направленными боковыми магнитами 40
Глава 3. Усовершенствование методов измерения магнитных полей 44
3.1. Основные способы измерения распределения полей в магнитных структурах 44
3.1.1. Методы, позволяющие получить подробную картину поля внутри магнитного элемента 45
3.1.1.1. Приборы, основанные на ядерном магнитном резонансе (ЯМР). 45
3.1.1.2. Преобразователи Холла 45
3.1.1.3. Измерительные катушки 47
3.1.1.5. Вибрирующая проволока 48
3.1.2. Методы, для определения интегральных характеристик магнитных элементов 49
3.1.2.1. Протяженные интегрирующие катушки и продольные проволоки 50
3.1.2.2, Импульсный проволочный метод 52
3.2. Усовершенствование используемых методов измерения магнитных полей 56
3.2.1. Увеличение точности измерений датчиком Холла 56
3.2.2. Усовершенствование проволочной установки 59
3.2.2.1. Выбор оптимального материала и длины проволоки 59
3.2.2.2. Оригинальный датчик положения нити 61
3.2.2.3. Выбор параметров импульса тока 65
3.2.3. Решение проблемы измерения полей в длинных ондуляторах 67
3.2.4. Фокусирующие свойства ондуляторов и их измерение с помощью проволочного метода 72
3.3. Сравнение использованных методов измерения магнитных полей 76
3.3.1. Статистические ошибки измерений полей методом датчика Холла.. 77
3.3.2. Статистические ошибки измерений проволочным методом 80
3.3.3. Анализ точностей метода ДХ и проволочного метода 82
3.4. Рекомендации 84
Глава 4. Применение модернизированных методов измерения магнитных полей для настройки ондуляторов 86
4.1. Ондулятор КІАЕ-4 для эксперимента по нагреву плазмы в токамаке 86
4.1.1. Конструкция двухсекционного ступенчато профилированного ондулятора КІАЕ-4 87
4.1.2. Адаптация системы измерений магнитных полей для настройки ондулятора КІАЕ-4 с помощью ДХ 90
4.1.3. Настройка магнитных полей и его интегралов в ондуляторе КІАЕ-4 90
4 4.1.4. Основные параметры и запуск установки FOM Fusion FEM с выходом на режим 730 кВтмм-волн в 10 мкс импульсах 95
4.2. Подготовка ондулятора KIAE-1.5-1 для эксперимента по проверке режима SASE 98
4.2.1. Настройка ондулятора с использованием проволочного метода перед установкой на канал ускорителя 98
4.2.2. Основные параметры установки SATURNUS и эксперимент по измерению усиления в режиме SASE 101
Глава 5. Ондулятор KIAE-UCLA 2м и осуществление режима SASE в безрезонаторном ЛСЭ 107
5.1. Введение 107
5.2. Конструкция ондулятора на постоянных магнитах 108
5.2.1. Расчет фокусирующей системы 110
5.2.2. Последовательность сборки ондулятора 112
5.3. Магнитные свойства ондулятора 114
5.3.1. Измерения датчиком Холла 114
5.3.2. Измерения проволочным методом 115
5.4. Усиление Зх105, полученное на установке безрезонаторного ЛСЭ 119
5.4.1. Зависимость средней интенсивности излучения от заряда 121
5.4.2. Флуктуации интенсивности 124
5.5. Заключение 125
Глава 6. Создание ондулятора для лазерного ускорителя типа ОЛСЭ 126
6.1. Введение 126
6.2. Проект эксперимента "RRC-UCLA" по обращенному ЛСЭ 127
6.2. Расчет схемы и конструкция ондулятора 129
6.1.1. Определение структуры магнитной ячейки 130
6.1.2. Элементы регулировки магнитного поля 134
6.1.3. Принципиальная схема ондулятора для проекта ОЛСЭ 136
6.1.4. Выбор формы траектории в межсекционной области 138
5 6.1.5. Исследование предельно допустимых разбросов параметров установки при использовании лазера мощностью 0.4 ТВт 143
6.2. Конструкция спроектированного ондулятора 146
6.3. Механическая юстировка ондулятора 151
6.4. Настройка и измерение магнитных полей 153
6.5. Магнитные характеристики изготовленного ондулятора 156
6.5.1. Проверка возможностей регулировки магнитных полей, обеспечиваемых конструкцией ондулятора 156
6.5.2. Настройка магнитных полей с использованием датчика Холла 158
6.5.3. Настройка ондулятора по второму интегралу магнитного поля 160
6.5.4. Особенности использованной технологии для окончательной настройки ондулятора с помощью проволочного метода 165
6.6. Проверка фокусирующих свойств ондулятора 168
6.6.1. Измерение поперечных профилей магнитного поля 168
6.6.2. Измерения фокусировки проволочным методом 170
6.7. Ожидаемое ускорение, обеспечиваемое изготовленным ондулятором., 172
6.8. Описание ускорительной установки 176
6.9. Результаты эксперимента по лазерному ускорению 179
Заключение 180
Список литературы 186
- Электромагнитные ондуляторы и ондуляторы на постоянных магнитах
- Разработка ондуляторных схем с фокусировкой в обеих плоскостях
- Методы, для определения интегральных характеристик магнитных элементов
- Сравнение использованных методов измерения магнитных полей
Введение к работе
Актуальность проблемы. После создания в 1976 году группой Дж. Мэйди (Стэнфорд, США) первого лазера на свободных электронах (ЛСЭ) в ведущих научных центрах мира интенсивно развиваются исследования в этой области. Сильная зависимость длины волны ондуляторного излучения Л, ~лу,І2у2 от энергии электронов у и длины периода ондулятора Я. делает возможным создание ЛСЭ, работающих в широком, практически неограниченном диапазоне длин волн (от миллиметрового до рентгеновского). Использование в установках мощных электронных пучков позволяет получить высокую среднюю мощность когерентного излучения (до 103 Вт).
Характеристики излучения сильно зависят от параметров используемого ондулятора. Ширина спектра спонтанного ондуляторного излучения SKJX, = (2JV)"' определяется числом периодов ондулятора .V. На самом деле, ширина спектра оказывается несколько больше из-за влияния неоднородностей амплитуд магнитных полей Л1ж/Я,~йВ/5 и разброса относительно среднего длины периода (для однородного ондулятора) SAJA,~SX„/A„. Поэтому точность изготовления отдельных деталей ондулятора, его сборки и настройки магнитных полей является важной практической задачей.
В последние годы стало интенсивно развиваться направление по созданию безрезонаторных (однопроходных) рентгеновских лазеров, которые по своим характеристикам (яркость, пиковая мощность) на порядки лучше современных источников синхротронного излучения. Установки подобного типа требуют создания ондуляторов длиной несколько сот метров с высокими требованиями на
периодичность (—~N«l), с большой амплитудой и малым разбросом магнитного л.
поля. Поэтом)' остро встала проблема поиска новых ондуляторных схем, которые позволят получить высокие амплитуды магнитных полей, а также обеспечат фокусировку электронного пучка в обеих поперечных плоскостях на всей длине магнитной системы.
РОС НАДИОИАДЬНАЯ \ БИБЛИОТЕКА I
В последние годы активно ведется поиск новых схем ускорителей с высоким темпом ускорения. Одна из наиболее перспективных схем - вакуумный лазерный ускоритель типа Обращенного ЛСЭ (ОЛСЭ), который позволяет получить как высокий темп ускорения, так и большой процент захваченных в ускорительный процесс электронов. ОЛСЭ основан на взаимодействии электронного и мощного лазерного пучков в специальном ондуляторе. Поэтому стала актуальной тема разработки особого класса ондуляторов с сильным профилированием, как амплитуды магнитного поля, так и его периода.
Цель и задачи исследования. Экспериментально исследовать специальные
магнитные ондуляторы для лазеров/мазеров на свободных электронах и обращенных лазеров на свободных электронах.
Научная новизна. Все изготовленные ондуляторы являются оригинальными, отличаются от других по своей конструкции и свойствам. Каждый из них был рассчитан под конкретный проект. В целом они характеризуются короткими периодами, большими амплитудами магнитных полей (превышающими так называемый предел Хальбаха), имеют встроенную систему фокусировки электронного пучка и высокую точность настройки магнитных полей. В ходе проведенных с их использованием экспериментов были получены интересные результаты:
Впервые было генерировано мощное (120 кВт) мм-излучение с частотой, изменяемой в широких пределах (130 - 260 ГГц) в течение длительности импульса излучения (в отличие от гиротронов) в установке мазера на свободных электронах (МСЭ). Это свойство МСЭ очень существенно для повышения эффективности нагрева плазмы в токомаках за счет подстройки частоты излучения под частоту циклотронного резонанса.
Впервые на момент публикации было достигнуто шестикратное усиление спонтанного излучения в установке безрезонаторного (однопроходного) ЛСЭ, стартующего от шумового сигнала.
Впервые был достигнут режим насыщения в схеме безрезонаторного ЛСЭ и получена рекордная (на то время) величина однопроходного усиления ЛСЭ (3-Ю5) па длине волны 12 мкм в режиме запуска от шумового сигнала. Таким образом, была показана возможность осуществления режима SASE и создания коротковолновых (вплоть до мягкого рентгена) ЛСЭ.
Получен рекордный темп (70 МэВ/м) и полная величина ускорения (20 МэВ) в лазерном ускорителе по принципу Обращенного ЛСЭ. Эти значения превосходят в несколько раз результаты, полученные в экспериментах по лазерному ускорению в вакууме в других лабораториях.
Основные результаты работы, выносимые на защиту.
В ходе работы были усовершенствованы два часто используемых для настройки ондуляторов метода измерения периодических магнитных полей для повышения точности измерений, сокращения времени на настройку ондуляторов путем внедрения автоматизации процесса измерений и обработки результатов, расширения области применения. Для прецизионной (0.1 Гаусса) настройки амплитуд магнитных полей создан стенд на основе датчика Холла, управляемый от компьютера. Для быстрого контроля интегральных характеристик ондуляторов собрана установка для измерения магнитных полей импульсным проволочным методом, который был адаптирован для измерения полей протяженных ондуляторов (> 1 м) и для проверки фокусирующих свойств ондуляторов.
Даны рекомендации по экспериментальной методике настройки полей периодических магнитных структур, обеспечивающие наибольшую точность настройки.
Собран и настроен двухсекционный ступенчато-профилированный гибридный ондулятор KIAE-4, предназначенный для мощного мазера на свободных электронах. С помощью индивидуальной настройки магнитного поля каждого полюса была получена высокая степень однородности амплитуд магнитных полей (ДД /5 <
0.2%). В ходе проведенного с его использованием эксперимента FOM-Fusion-FEM генерировалось мм-излучение мощностью 120 кВт в 40 мкс импульсах. Частоту
излучения можно было изменять от 130 до 260 ГГц в течение длительности импульса. Это свойство очень существенно для повышения эффективности нагрева плазмы в токомаках за счет подстройки частоты излучения под частоту циклотронного резонанса.
Настроен короткопериодный гибридный ондулятор KIAE-1.5-1. В ходе проведенного с его использованием эксперимента на установке SATURNUS в безрезонаторном (однопроходном) ЛСЭ наблюдалось шестикратное усиление спонтанного излучения, что явилось первым убедительным доказательством возможности осуществления режима SASE.
Для второго этапа эксперимента по SASE режиму ЛСЭ разработан, изготовлен и настроен 2 м безжелезный ондулятор на постоянных редкоземельных магнитах. В ходе эксперимента была получена рекордная (на то время) величина однопроходного усиления ЛСЭ (Зх 105) на длине волны 12 мкм в режиме запуска от шумового сигнала. Анализ результатов этих двух экспериментов по изучению теории однопроходного ЛСЭ (режим SASE) показал возможность создания будущих коротковолновых (вплоть до мягкого рентгена) ЛСЭ.
Разработан, сконструирован и настроен сильно профилированный ондулятор К1АЕ-2р длиной 50 см для эксперимента по осуществлению лазерного ускорения в системе обращенного лазера на свободных электронах. Ондулятор спроектирован на ускорение 14 МэВ электронного пучка лазерным пучком С02 лазера мощностью до 1 ТВт. Впервые должен быть обеспечен захват электронов в ускоряемый сгусток до 30%. После регулировки отклонения магнитных полей ондулятора от требуемых проектом составили не более ±0.4%. В ходе первых сеансов эксперимента часть электронного пучка была ускорена до 32 МэВ в одной секции ондулятора.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на следующих международных конференциях: 15th International Free Electron Laser Conference (Гаага, Нидерланды, 23-27 августа 1993), Международной конференции по синхротронному излучению (Новосибирск, 1994), 16th International Free Electron Laser Conference (Стэнфорд, США, 27-29 августа 1994), 17th International Free
Electron Laser Conference (Нью-Йорк, США, 23-27 августа 1995), 2-ом Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Новосибирск, Россия, 13-16 июня 1995), 18th International Free Electron Laser Conference (Рим, Италия, 26-31 августа 1996), 1997 Particle Accelerator Conference (Ванкувер, Канада, 12-16 мая 1997), 19th International Free Electron Laser Conference (Пекин, Китай, 18-21 августа 1997), 4-ом Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных электронах (Тайджон, Корея, 8-10 июня 1999), 19th Advanced ICFA Beam Dynamics Workshop (Арчидосо, Италия, 10-15 сентября 2000), 2001 Particle Accelerator Conference (Чикаго, США, 18-22 июня 2001), 23rd International Free Electron Laser Conference (Дармштад, Германия, 20-24 августа 2001), 2003 Particle Accelerator Conference (Портланд, США, 12-16 мая 2003), 11th Advanced Accelerator Concepts Workshop (Стони Брук, США, 21-26 июня 2004), 26th International Free Electron Laser Conference (Триест, Италия, 28 августа - З сентября 2004), XIX Российской ускорительной конференции RuPAC2004 (Дубна, Россия, 4-8 октября 2004). Сконструированные ондуляторы использовались в совместных международных проектах: FOM-Fusion-FEM в голландском институте физики плазмы; в экспериментах по изучению безрезонаторных ЛСЭ и лазерного ускорителя в Университете Калифорнии в Лос-Анджелесе.
Публикации. Результаты работы опубликованы в материалах указанных выше конференций, журналах Nuclear Instruments and Methods, Physical Review и Physical Review Letters, а также препринтах РНЦ «Курчатовский институт».
Объем и структура диссертации. Представленная работа состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 199 страницах, включая 97 рисунков и библиографию из 128 наименований.
Электромагнитные ондуляторы и ондуляторы на постоянных магнитах
По способу создания магнитного поля ондуляторы можно разделить на электромагнитные (в том числе сверхпроводящие) и на постоянных магнитах. Электромагнитные ондуляторы отличаются от других типов ондуляторов: возможностью изменения величины поля простым изменением величины тока в обмотках; высокой однородностью поля (что особенно важно для длинных ондуляторов). К недостаткам электромагнитных ондуляторов относятся: относительно сложные конструкции; большие тепловые потери; сложность/невозможность тонкой подстройки магнитного поля, практически необходимой для проводки электронного пучка сквозь ондулятор. Широко используемые в ускорительной технике обыкновенные (теплые) электромагнитные ондуляторы уже не могут удовлетворять требованиям на величину поля, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, в стальном сердечнике при повышении поля будут заметно сказываться эффекты насыщения, так как напряженность магнитного поля на краю полюса в 1.5-2 раза превышает поле на оси ондулятора. Во-вторых, пространство между соседними полюсами уменьшается с периодом и требуемая плотность тока в электромагнитных катушках достигает значений порядка 2 кА/см и более, превышая допустимый предел для теплых электромагнитов. В сверхпроводящих ондуляторах также существует критическая плотность тока порядка 2.7 кА/мм2, однако это на два порядка выше, чем предел для обычных теплых электромагнитов. относительная простота конструкции; отсутствие дополнительного оборудования (мощных источников тока, системы охлаждения и т.д.); возможность тонкой регулировки магнитных полей. Редкоземельные магниты значительно превосходят другие постоянные магниты по ряду характеристик и особенно по значению остаточной намагниченности Вг. В Табл. 4 приведены основные характеристики выпускаемых редкоземельных магнитов из каталога известной японской химической компании Shin-Etsu Chemical Co., Ltd .
Из таблицы видно, что редкоземельные магниты из сплава NdFeB имеют очень высокую остаточную намагниченность (до 1.47 Тл), но небольшую максимальную рабочую температуру, в то время как магниты из сплава Sm2Coi7 сохраняют свои характеристики (Вг до 1.2 Тл) при значительно более высоких температурах (до 250 С). При выборе редкоземельных магнитов для проектируемого ондулятора нужно руководствоваться, прежде всего, температурными условиями, в которых будет работать прибор, и лишь во вторую очередь их магнитными свойствами. Одним из основных недостатков конструкции ондулятора на постоянных магнитах является большой разброс по силе намагниченности и ее направлению в разных магнитных блоках. Для уменьшения разброса приходиться производить тщательную селекцию магнитов, комбинаторным путем группировать их по парам, четверкам и т.д. По своей конструкции ондуляторы на постоянных магнитах (ПМ) подразделяются на чисто редкоземельные (безжелезные) и гибридные. Схема простейшего чисто редкоземельного плоского ондулятора на ПМ [17] показана на Рис. 2а. Стрелками показано направление намагниченности магнитных блоков. Ондуляторы этого типа являются самыми простыми в расчете и изготовлении, но требуют компьютерного расчета расположения предварительно тщательно обмерянных магнитных призм.
Регулировка полей очень сложна (она практически невозможна) и амплитуды магнитных полей таких ондуляторов невелики. Существенно более сильные магнитные поля можно достичь с помощью, так называемой, гибридной конфигурации [18] (см. Рис. 26). В этой схеме магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами 1, концентрируется стальными полюсами 2. Стальные полюса чаще всего изготавливают из магнитомягкой стали Армко. Лучшим материалом для полюсов является ванадиевый пермендюр (сплав 49КФ), который имеет как более высокую магнитную проницаемость, так и более высокий поток насыщения. В Табл. 5 приведены данные [19] по сплавам, часто используемым для изготовления полюсов в гибридных магнитных системах. Так как полюсные наконечники в гибридной схеме находятся обычно в насыщении, изменения магнитного поля, вызванные неоднородностями в величине намагниченности редкоземельных магнитов, уменьшаются. Становится возможной тонкая настройка поля индивидуального полюса с помощью шунтов, что позволяет добиться высокой однородности полей.
Разработка ондуляторных схем с фокусировкой в обеих плоскостях
Автор участвовал в разработке трех новых усовершенствованных и эффективных схем фокусировки, которые были реализованы в реальных конструкциях изготовленных ондуляторов [36,37]. Обычные плоские гибридные ондуляторы снабжаются дополнительными боковыми магнитами. В зависимости от взаимного расположения боковых магнитов, их числа и направления векторов их намагниченности возникают различные профили магнитного поля в рабочем зазоре ондулятора. Профиль магнитного поля в этих схемах можно легко изменять, меняя относительное расположение боковых магнитов. Первая схема была применена в гибридном ондуляторе КІАЕ-1.5-1 [38], изготовленного для инфракрасного безрезонаторного ЛСЭ с большим усилением SATURNUS [39,40]. На Рис. 5 показана схема расположения основных компонент ондулятора. Ондулятор имеет фиксированный зазор 5 мм. Основные постоянные NdFeB магниты (1) и стальные полюса (2), выполненные в форме буквы «С», образуют основную периодическую магнитную структуру. Боковые постоянные магниты (3) создают дополнительный магнитный поток, часть которого распространяется по магнитопроводу С-образной формы и замыкается через магнитный зазор ондулятора. В этой схеме область насыщения материала полюсов находится не вблизи торцов магнитопровода, образующих магнитный зазор, а заметно отодвинута в сторону массивной части и совпадает с краем основного магнита [41]. Возникает горизонтальный градиент магнитного поля ондулятора. Другая, рассеянная часть магнитного потока от боковых магнитов также вносит вклад в величину фадиента. На Рис. 6 показан экспериментально измеренный усредненный профиль магнитного поля.
Видно, что вблизи оси ондулятора магнитное поле меняется по линейному закону. Величина градиента q = dBy/dx равна 8 Гаусс/мм. В силу того, что материал полюсов вблизи магнитного зазора насыщен не полностью, рассеянная часть магнитного потока боковых магнитов создает разную величину градиента под полюсами и под постоянными магнитами. Под полюсами распределение плотности магнитного потока становится более равномерным. На Рис, 7 показано распределение градиента q вдоль оси ондулятора. Видно, что величина градиента изменяется. Частота изменения величины градиента в два раза больше частоты изменения магнитного поля. Помимо того, что в этой схеме создается фокусирующий горизонтальный градиент магнитного поля, она создает сильное магнитное поле на оси ондулятора, превышающее предел Хальбаха. В ондуляторе KIAE-1.5-3 [42] для проекта МСЭ [43] была реализована новая схема с боковыми магнитами противоположной ориентации (см. Рис; 8). За основу ондулятора взята обычная гибридная схема, состоящая из постоянных магнитов (1) и железных полюсов (2), по краям магнитного зазора которой добавлены дополнительные постоянные магниты (3). Распределение магнитного поля между боковыми магнитами близко к распределению магнитного поля между двумя противоположно ориентированными магнитными диполями. Профиль магнитного поля Ву(х) описывается линейной функцией вблизи оси ондулятора. По мере приближения к боковым магнитам величина магнитного поля растет быстрее, образуя "непрозрачные стенки". На Рис. 9 показан экспериментально измеренный профиль магнитного поля. Величина градиента вблизи оси ондулятора равна 15 Гаусс/мм. На фокусирующие свойства ондулятора влияет усредненное значение градиента q вдоль оси z. На Рис. 10 показано измеренное распределение градиента на одном периоде ондулятора.
Видно, что значения градиента под полюсами слабо отличаются от значений градиента, измеренных под магнитами, т.е. стальные полюса оказывают незначительное влияние на профиль магнитного поля создаваемого боковыми магнитами. Величина горизонтального градиента зависит от расстояния между боковыми магнитами. Таким образом, в этой схеме можно легко изменять величину градиента магнитного поля, меняя расстояние между боковыми магнитами. применена схема на основе плоского гибридного ондулятора с дополнительным рядом боковых магнитов (см. Рис. И). Стальные полюса (2) чередуются с
Методы, для определения интегральных характеристик магнитных элементов
Такое расположение боковых магнитов создает дополнительную квадрупольную фокусировку. В результате суперпозиции сексту пол ьной и квадрупольной фокусировок фокусирующая сила возрастает. Горизонтальные профили магнитного поля Ву(х) полученные для четных и нечетных полюсов показаны на Рис. 12. Видно, что кривые для четных и нечетных полюсов смещены относительно оси ондулятора в противоположных направлениях. Эта ассиметрия дает поперечный градиент в 7 Гаусс/мм. Из Рис. 13 видно, что градиент q не однороден на периоде ондулятора (зависит от г). Но, как уже говорилось, фокусировка реально зависит от интегральной характеристики, так что разброс градиента не дает нежелательных последствий, когда выполнена регулировка поля. Относительная фокусирующая сила, определяемая как к /к , равна 1.37 для первой секции и 0.99 для второй секции при одинаковом смещении боковых магнитов Дг = 2.3 мм. Таким образом, предложенная схема обеспечивает регулируемую фокусировку в обеих поперечных плоскостях. Кроме того, боковые магниты увеличивают магнитное поле на оси ондулятора, которое превосходит предел Хальбаха приблизительно на 5%. Установки ЛСЭ содержат множество магнитных элементов, начиная от простых отклоняющих магнитов, которыми корректируют положение пучка в электронном канале, фокусирующих элементов (квадруполи, секступоли и т.д.), магнитных спектрометров и заканчивая сложными магнитными системами типа ондуляторов/вигглеров. Для их настройки требуется проводить различные магнитные измерения: снимать карты распределения магнитных полей, измерять градиенты, вклад гармоник, первые и вторые интегралы магнитного поля в рабочем объеме.
Проведение высокоточных измерений довольно сложная задача, ей посвящены регулярные международные рабочие совещания по магнитным измерениям (IMMW) (см. материалы последних совещаний [45,46,47]). ЦЕРН в рамках Ускорительной Школы (CERN Accelerator School -CAS) организовывал курсы, посвященные измерениям и выстраиванию магнитных элементов [48,49]. Как это ни странно, большинство методов измерения были предложены довольно давно [50] и слабо изменились к настоящему времени, за исключением используемого в них электронного оборудования. Выбор того или иного метода измерения определяется несколькими факторами: во-первых, типом поля, создаваемого магнитом (однородное или периодическое, постоянное или импульсное, большой амплитуды или малой); во-вторых, какой параметр требуется найти (просто компоненту магнитного поля, или интегральную характеристику, или вклад гармоник); и в-третьих, требуемой точностью измерений. Ниже приведен обзор методов магнитных измерений, их В этих приборах измеряется резонансная частота ядерного магнитного резонанса протонов !Н или дейтронов 2Н, которая прямо пропорциональна величине исследуемого магнитного поля. Они позволяют измерять магнитные поля в диапазоне от 430 Гс до 130 кГс с наивысшей достижимой точностью до 0.001 Гс (лучше ±0.0005%), но измеряемое магнитное поле должно быть однородным (градиент не более 0.01% на 1 см) . Поэтому приборы, основанные на ЯМР, используют в основном для калибровки других методов в качестве эталона и не применяют для измерения периодических полей ондуляторов. Преобразователи Холла широко применяются для измерения магнитных полей. Их работа основана на известном эффекте Холла [55]. Если металлическую или полупроводниковую пластинку, вдоль которой течет постоянный электрический ток, поместить в перпендикулярное к ней магнитное поле, то между гранями, параллельными направлениям тока и поля, возникает разность потенциалов Ux - RbjB, где R — постоянная Холла, b ширина пластинки, j - плотность тока и В - магнитная индукция поля. Видно, что напряжение на выходе датчика Холла Ux пропорционально индукции магнитного поля. Это делает возможным использовать преобразователь Холла для измерения магнитных полей в данной точке.
Перемещая датчик Холла вдоль оси ондулятора, можно точка за точкой производить измерения поля и получить полную картину распределения магнитного поля в зазоре ондулятора (см. например [56]). ДХ обладают хорошей точностью [57], но она ограничена несколькими факторами. Самый существенный из них - это зависимость напряжения с ДХ от температуры, причем температурный коэффициент зависит от величины измеряемого магнитного поля. Поэтому при измерениях, которые, как правило, требуют продолжительного (часы) времени, надо уделять особое внимание температурной стабилизации. Второй фактор - продольный Холл эффект, который заключается во влиянии продольной компоненты магнитного поля на напряжение с ДХ. Поэтому возникают сложности при измерениях слабых полей, у которых имеется большая перпендикулярная составляющая (например, при измерении горизонтальной компоненты Вх магнитного поля обычного плоского ондулятора). Правда, в последнее время появились трехосевые датчики Холла для измерения сразу трех компонент магнитного поля в данной точке [58,59] лишенные этого недостатка. Еще один фактор - это нелинейность калибровочной кривой ДХ (т.е. коэффициент Холла зависит от величины измеряемого поля). Эта проблема решается калибровкой ДХ в поле электромагнита, которое измеряется эталонным ЯМР прибором (см. также раздел 6.4). Кроме того, ДХ усредняет магнитное поле по площади кристалла (типичные размеры 0.5x0.2 мм2). Уменьшение площади кристалла приводит к уменьшению чувствительности и увеличению шумов. Существуют ДХ работающие при низких температурах, они имеют очень малый температурный коэффициент, но, к сожалению, у них добавляется еще
Сравнение использованных методов измерения магнитных полей
Как уже было отмечено выше, проволочный метод был специально разработан для быстрых измерений магнитного поля ондуляторов как альтернатива хорошо известному методу с использованием датчика Холла. Последний является одним из наиболее точных и надежных методов. Однако он очень медленный, так как измерения поля делаются шаг за шагом с большим количеством остановок каретки с датчиком в точках измерений. Проволочный метод измерения магнитных полей менее точен, но имеет свои преимущества. Во-первых, он значительно быстрее. Во-вторых, он более компактный и может быть использован для измерения магнитных полей в узких зазорах внутри всего ондулятора. Проволочный метод дает прямую информацию о длине ондулятора в случае измерения полей в отдельных точках по оси ондулятора. Исходя из выше сказанного, автором в составе экспериментальной группы был проведен ряд исследований [77,79,80,81] по сравнению возможностей обоих методов. Был сделан вывод, что проволочный метод дает точность, сравнимую с датчиком Холла, в случае измерения первых интегралов магнитного поля. Как объект для измерений была выбрана модель простого плоского гибридного ондулятора KIAE-6 длиной 9 периодов, с длиной периода б см, зазором 15 мм и фактором ондуляторности К = 2.42. Для увеличения точности измерений датчиком Холла были выполнены следующие дополнительные приготовления: введена временная задержка между временем остановки каретки и измерением сигнала с датчика Холла. Это было сделано с целью исключить влияние возможных вибраций датчика после перемещения на результаты измерений. обеспечивались малые температурные колебания ( 2С) в экспериментальном помещении. изменялось число точек измерений магнитного поля на период ондулятора. тщательно исследовались аппаратурные и статистические ошибки измерений.
Для определения величины статистического разброса результатов были выполнены по 10 измерений, как методом Холла, так и проволочным методом [82]. На Рис. 24 представлены магнитное поле, а также его первый и второй интегралы, полученные с помощью датчика Холла. Шаг сканирования, измеряемый лазерным интерферометром с точностью лучше, чем 1 мкм, был 79 0.25±0.06 мм. Время одного измерения составляло 2 часа 45 минут. Колебания температуры не превышали 0.5С. Толщина линий на этом рисунке соответствует статистическому разбросу результатов измерений. На Рис. 25 показан процентный статистический разброс магнитного поля на полюсах ондулятора KIAE-6 и соответствующие ему разбросы первого и второго интегралов магнитного поля. Видно, что статистический разброс первого и второго интегралов магнитного поля нарастает с длиной ондулятора. Поэтому использование ДХ для настройки второго интеграла магнитного поля протяженных ондуляторов ( 1м) требует особой осторожности. Из Рис. 24 и Рис. 25 видно, при измерении ДХ точность воспроизведения магнитного поля лучше чем 0.02%, первого интеграла магнитного поля - лучше чем 0.6%, а второго интеграла магнитного поля - лучше чем 22%. Если лазерный интерферометр не использовался и шаг сканирования считался постоянным (0.2549 мм), то точность воспроизведения была значительно хуже. Результаты измерения магнитного поля ДХ сильно зависели от величины шага сканирования и времени задержки между началом измерения сигнала с ДХ и окончанием движения каретки. Максимальные статистические разбросы для различного числа точек измерения на период ондулятора приведены в Табл. 12. Из Табл. 12 видно, что при измерении периодических магнитных полей ДХ рекомендуется использовать шаг сканирования, обеспечивающий порядка 150 - 200 точек измерения на период ондулятора.
Уменьшение числа точек измерения на период приводит к ужесточению требований на определение положения датчика и, как следствие, к понижению точности измерения амплитуд магнитных полей. Увеличение количества точек измерений на период ондулятора также приводит к уменьшению точности вычисления первого и, особенно, второго интегралов магнитного поля. Это вызвано значительным увеличением времени измерения и сложностью поддержания одинаковых температурных условий в течение всего сеанса измерений. Температурная зависимость остаточного напряжения и коэффициента ДХ приводит к появлению коррелированных ошибок в измерениях магнитного поля, которые дают существенный вклад в статистический разброс вычисленных интегралов магнитного поля. Аналогичным образом были проведены серии по 10 измерений первого и второго интегралов магнитного поля KIAE-6 ондулятора проволочным методом. Результаты этих измерений представлены на Рис. 26. Толщина кривых соответствует величине статистического разброса результатов. На Рис. 27 показаны эти же статистические разбросы, выраженные в процентах. Из представленных данных видно, что при использовании проволочного метода и первый, и второй интеграл магнитного поля воспроизводятся с точностью порядка 1%. Причем статистический разброс первого и второго интегралов магнитного поля не имеет тенденции к нарастанию с длиной ондулятора.
