Элементы магнитной системы для специализированного источника синхротронного излучения «MLS»

Синхротронное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися по искривлённым магнитным полем траекториям с релятивистскими скоростями [1,2]. о.

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 б~тсг/Е~/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]. J.

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 7 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 I РТВ организовало свою лабораторию на BESSY II, перейдя к исследованиям с помощью СИ только в области рентгеновского излучения 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 1 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.

Основные результаты работы, которые одновременно являются положениями, выносимыми автором на защиту следующие:

1. Была разработана оптимальная с точки зрения магнитных параметров и технологичности производства конструкция всех основных элементов магнитной системы для первого в мире специализированного метрологического источника СИ.

2. Спроектирован и изготовлен уникальный поворотный 45° шихтованный магнит с сердечником С-типа, зазором 50 мм и радиусом продольного изгиба сердечника ~ 1,5 м при длине сердечника ~ 1,1 м, удовлетворяющий требованиям к метрологическому источнику СИ. Относительная однородность магнитного поля в рабочей области была 2,5'10″ 4 в диапазоне полей 0,2 — 1,3 Т. Была разработана оригинальная комбинированная технология изготовления сердечника магнита.

3. Спроектирован и изготовлен полный набор мультипольных линз для специализированного метрологического источника СИ. Магнитные параметры данных магнитов соответствуют мировым стандартам для источников СИ 3-го поколения, при этом конструкция магнитов полностью удовлетворяет требованиям, характерным для метрологических источников СИ.

4. Отработана методика 2-х и 3-х мерного моделирования магнитных параметров с помощью программных продуктов Mermaid 2D, 3D и Ansys и методика измерения механических параметров магнитов в процессе изготовления, позволяющая осуществлять производство магнитных элементов без предварительного изготовления и магнитных измерений прототипов. В процессе моделирования изучено влияние погрешности изготовления профиля полюсов магнитных элементов на их магнитные свойства.

5. Выполнены высокоточные измерения магнитных характеристик поворотных магнитов, квадрупольных, секступольных и октупольных линз. Подтверждено полное соответствие магнитных характеристик требованиям Технического Задания.

6. Проанализировано влияние конструктивных особенностей разработанных в ИЯФ высокоточных измерительных систем — системы измерения на основе датчиков Холла и измерительного стенда «Вращающаяся катушка» — на точность измерения магнитных параметров элементов MLS. Полученные в работе результаты и наработки по конструированию, моделированию и измерению магнитных параметров магнитов имеют большое значение для создания магнитных систем компактных специализированных источников СИ.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю И. Н. Чуркину, осуществлявшему непосредственное руководство контрактным заказом, в рамках которого была выполнена представленная работа, за огромный вклад в выполнение данной работы, а также за ценные замечания, полезные дискуссии и технические консультации на различных этапах написания текста диссертации. Автор также признателен сотрудникам ИЯФ СО РАН принимавшим непосредственное участие в работах по созданию магнитных элементов MLS: С. А. Белокриницкому, Е. С. Рувинскому, Н. Б. Нефедову, Е. П. Семенову, C.B. Синяткину, JI.M. Щеголеву и многим другим. За совместное обсуждение результатов и обмен информацией при проведении данной работы автор выражает признательность сотруднику BESSY Петеру Будзу. Отдельно свою искреннюю признательность за постоянный интерес и поддержку в проведении данной работы автор выражает академику Г. Н. Кулипанову.

Заключение

.

В результате данной работы был изготовлен полный набор основных магнитных элементов специализированного источника СИ MLS: 8 поворотных магнитов, 24 квадруполя, 24 секступоля и 4 октуполя. Высокое качество магнитных элементов и их полное соответствие требованиям Технического Задания позволило в короткие сроки собрать магнитную систему и смонтировать вакуумную камеру, в феврале 2007 года все магнитные элементы, а так же вакуумная камера были установлены на накопительное кольцо MLS. Первое накопление пучка на энергии инжекции 100 МэВ было получено 6 июня (ток пучка 25 мкА, время жизни 1 час). 14 августа пучок был ускорен до максимальной рабочей энергии 600 МэВ (ток пучка ~ 1 мА). В настоящее время источник стабильно работает на энергии 600 МэВ при токе пучка 100 мА, и проводится подготовка первой очереди станций СИ к началу работы для решения задач пользователей.