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Le transfert des faisceaux d’électrons entre les 3 accélérateurs nécessite des aimants pulsés d’injection ou d’extraction :- Des aimants à septum en extrémité de ligne de transfert,- Des aimants kickers dans le Booster ou l’Anneau,- Des bumpers lents à l’extraction du Booster.
Les systèmes magnétiques pulsés de SOLEIL
Pour de tels éléments, l’aimant constitue un composant du circuit électrique, qui détermine la forme d’impulsion (de courant, donc de champ). L’optimisation de l’aimant inclut la chambre à vide, qui est interne (aimant hors vide) ou externe (aimant sous vide). Il faut donc concevoir en même temps la chambre à vide, l’aimant et son alimentation pulsée.La conception de tous ces Systèmes Magnétiques Pulsés a été faite par les équipes de SOLEIL, ainsi que :- toutes les spécifications techniques, - le suivi de fabrication, - la construction des alimentations pulsées les plus délicates (HT),- et les mesures électriques et magnétiques.
Groupes impliqués :- Alimentations et Aimants pulsés,- Ultra-vide,- Conception-Ingénierie
En relation avec les physiciensAccélérateurs.
Linac
Kicker Inj.BoosterSeptum P.
Inj. Booster
LT1
LT2
Kicker Ext.Booster
DOF 1
DOF 2
DOF 3
Septum P.Ext.. Booster
Septum P.Inj. Anneau
Kicker Inj.Anneau 1
Kicker Inj.Anneau 2
Kicker Inj.Anneau 3
Kicker Inj.Anneau 4
Kicker Et. H.Kicker Et. V.
Septum A.Ext.. Booster
Septum A.Inj. Anneau
2
Cahier des charges des Systèmes Magnétiques Pulsés
Spécification Physique machine
Fonction AimantDéviation Longueur
disponible
Ouverturefaisceau
HxVmrad m mm
Injection Booster Kicker rapide 12,95 nom < 1 m 40*16 tfall <200 nsà 110 MeV 20 max
Septum 131 < 1 m 18*15 septum 3 mm
Extraction Booster Kicker rapide 1,5 < 1 m 40*16 trise <200 nsà 2,75 GeV Septum 9,3 < 1 m 18*15 septum 3 mm
Post Septum 110 1,20 m 21,2*153 Bumpers lents 2,5 max < 1 m 60*16 copie ESRF
Injection Anneau 4 kickers identiques 7,6 0,850 m 80*25 durée < 6 toursà 2,75 GeV Septum 23,7 nom ~1,20 m 18*15 septum 3 mm
27,5 maxPré-septum 110 1,20 m 21,2*15
BLongueur
activeNbtour
Courantcrête
Tensionde charge
mT mm A V7,91 nom 600 1 252 6500 trapèzoïdale tfall <200 ns
12,22 max 389 10500161 300 1 1922 210 demi-sinus durée 60 µs
23 600 1 730 18500 trapèzoïdale trise <200 ns284 300 1 2924 291 demi-sinus durée 70 µs
2x55 2x500 2 7080 111 demi-sinus durée 3,3 ms46 max 500 14 151 max 13 demi-sinus durée 12 ms
116 600 1 5220 7800 demi-sinus durée 6,5 µs362 nom 600 1 4322 471,5 sinus durée 130 µs420 max 5015 547
2x55 2x500 2 7080 111 demi-sinus durée3,3 ms
Forme pulse
Paramètres de conception Eléments Pulsés
Choix pour la conception :- Tous les switchs BT ou HT à semi-conducteurs (éviter les dérives en temps),- Tous les pulsers hors des tunnels (accessibilité à tout moment),- Chambres étuvables => aimants hors vide ouvrables,- Blindage CEM autour des aimants, transmissions et pulsers,- Traiter les problèmes thermiques,- Positionnement réglables, repères d’alignement.
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Les chambres à vide céramiques des kickers
Type de chambre Nombre
Dimensionsinternesalumine
dépôt Titane (après
oxydation)
Résistance après
oxydation
Dispersiondépôt Titane
(mm)CAV Kickers Booster 2 CAV installées + 2 spare 728x40x16 0,2 µm 30 à 40 W 25%
2 alumines brasées 728x40x161 alumine rejetée
CAV Kickers Anneau 4 CAV installées + 2 spare 728x80x25 2 µm 0,956 W +/-7%2 alumines brasées 728x80x25 2 µm1 alumine rejetée 728x80x25
CAV Kickers EM H 1 CAV installée 728x80x25 0,5 µm 4,377 W
CAV Kickers EM V 1 CAV Kicker EM V + 1 spare 428x80x25 0,5 µm 2,80 W 1%CAV shaker Anneau 1 CAV shaker + 1 spare 428x80x25 1 µm 1,280 W 18%
1 alumine rejetée
Spécifications techniques des chambres alumine - Epaisseurs Al2O3: 6 mm Booster, 7 mm Anneau - Tolérance rectitude et profil < 1 mm Essais de brasure => choix alumine et brasure Suivi des fabrications :
- Contrôle dimensionnel => rejet éventuel,- Contrôle étanchéité
Dépôts de Titane :- Calculés selon rapidité du kicker- Difficulté du process- Suivi des résistances des dépôts
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Les kickers rapides de l’injection et de l’extraction du Booster
Switch 25 kV – 1000 A basé sur transistors MOS rapides
Mis en parallèle et en série
Kicker Magnet
E
Rcharge
Rcomp
Rabs
Dabs
Ccomp
HV Switch
Pulsing Forming Line
Transmission Line
Absorption circuit
Filter Cell
High Voltage charging Supply
Circuit avec PFL (formeur à câbles coax) sur charge inductive (désadapté) compensée
Ipeak = Ucharge/ Zc
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Les kickers de l’injection de l’Anneau de stockage - 1
Tolérances mécaniques serrées- Co-planéité des 2 platines mobiles des ferrites : < 0.2 mm- Position relative des bras de spire : 0.1 mm montémalgré empilement pièces, et utilisation isolants plastique
Ventilation forcée distribuée tout le long chambre céramiquepar buse pliée-soudée
Collaboration étroite entre BE et Alims-Aimants Pulséspour ajuster exigences et possibilités fabrication
Pulser 8 kV 5500 A :- Switch HT basé sur 3 modules d’IGBT en //chaque module :12 kV, 2400 A crête- Contraintes d’isolement- Identité entre 4 kickers impose :
faibles tolérances sur composants, mécanique précise
6
Les kickers de l’injection de l’Anneau de stockage - 2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
1000
2000
3000
4000
5000
6000
E = 2000 VE = 3000 VE = 4000 VE = 5000 VE = 6000 VE = 7000 VE = 7500 V
Courant dans l'aimant du kicker anneau 1 avec la sonde 6550
Temps (s)
Coura
nt
( A
)
E
Rcharge22 kW
LaimantRcomp3,68 W
Ccomp1,47 nF
Ligne de transmission
Radapt3,61 W
IGBT
Drl
C23,45 µF
C13,65 µF
D
Csnub2,62 nF
Rsnub12,65 W
Cadapt2,64 nF
Rabs12,45 W
Dabs
Inductancesaturable
Homogénéité transverse (x) de l'intégrale de champ dans K4 avec CAV n°8A
-0.010-0.009-0.008-0.007-0.006-0.005-0.004-0.003-0.002-0.0010.0000.001
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Position transverse (x en mm)
Var
iatio
n de
S B
dl p
ar
rapp
ort a
u ce
ntre
Résultats électriques :- Jitter temporel < 1 ns, dérive non mesurable- Marges en courant et tension > 10 %
Résultats magnétiques :- Très bonne homogénéité transverse du champ,- Excellente linéarité Tension/courant/Champ
Vu par le faisceau (résultats actuels) :Après réglages tension, délais, largeurs pulsesidentité entre 4 kickers ~ qqs 10-3 du champ crête
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Les aimants à septum passif (à courants de Foucault) - 1
Entrée
Sortie
Aimants sous vide :- Matériaux Ultra-vide cuivre OFHC, inox 316 LN- Traversées ultra-vide aluminepour connexions courant et drain thermique- Assemblage mécanique des tôles de la culasse - Isolements par dépôt alumine chouppée- Pas de fenêtre de séparation :vide différentiel entre ligne de transfert et anneau
Pour le septum de l’Anneau :-Ajout d’un blindage Mumétal 0.5 mm tout autour de la chambre interne du faisceau stocké- Epaisseur totale du septum de 3.5 mm
La spire électrique est au fond du C de la culasse, et se referme derrière (attaque « passive »)La culasse est enfermée dans une boîte en cuivre qui draine les courants de Foucault : dans le plan du faisceau, ils circulent dans la lame de septum mince = 3 mm et réduisent les champs de fuite à l’extérieur
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Les aimants à septum passif (courants de Foucault) - 2
Homogénéité transverse dans le gapdepuis le contact à la lame de septum (x=3)
251,50252,00252,50253,00253,50254,00254,50255,00255,50256,00
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Intégrale du champ de fuite retardé max selon les configurations
0,000
200,000
400,000
600,000
800,000
1000,000
1200,000
1400,000
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0
Distance à la lame septum (x en mm)
Cha
mp
de fu
ite in
tégr
é (µ
T.m
) dan
s le
leur
re
Champ de fuite avant modifs(pulse demi-sinus)
Champ de fuite avec Pulsebipolaire
Champ de fuite avec ajoutMumétal 0,15 mm+kapton (visA2)Champ de fuite avec ajoutMumétal 0,15+kapton et visnylon-Leurre isoléChamp de fuite avec leurre à lamasse CAV
Champ de fuite avec blindageMécamagnétic
Champ de fuite avant modifs(pulse demi-sinus)
Champ de fuite avec Pulsebipolaire
Champ de fuite avec ajoutMumétal 0,15 mm+kapton (visA2)Champ de fuite avec ajoutMumétal 0,15+kapton et visnylon-Leurre isoléChamp de fuite avec leurre à lamasse CAV
Champ de fuite avec blindageMécamagnéticChamp de fuite dans la chambre Anneau (leurre)
quasi-synchrone du pulse de champ dans l'aimant
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
-10-12-14-15-16-18-20-25-30-35-40-45
Distance from septum (in mm)
Lea
kag
e fi
eld
in
teg
ral
par
alle
l to
se
ptu
m a
xis
(in
µT
.m)
Dans l’entrefer : homogénéité transverse du champ = +/- 5 10-3
Hors du gap, zone du faisceau circulant ou stocké :exigence d’un faible champ de fuitespécialement pour l’Anneau = 12 µT.m max
Travail spécifique pour réduire le champ de fuite :- Blindage Mumétal enveloppant,- Pulses bipolaires Résultats : < 4 µT.m
soit ~10-5 du champ principalChamp de fuite final mesuré
Champ de fuite initial, et évolution
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Les septum actif (“direct-drive”) : fonction de pré-septum
Dans l’entrefer : homogénéité transverse du champ = +/- 5 10-3
Hors du gap, zone du faisceau circulant ou stocké :exigence d’un faible champ de fuitespécialement pour l’Anneau = 12 µT.m max
Travail spécifique pour réduire le champ de fuite :- Blindage Mumétal enveloppant la chambre Anneau,- Blindage Supra36 autour des culasses.
Les septums actifs assurent l’essentiel de l’angle :- 110 mrad entre ligne de transfert et faisceau
=> 2 culasses rectilignes, spire 2 tours fort courant crête 7080 A nominal
- l’épaisseur de septum peut être plus importante pour assurer une fonction de pré-septum
10
Les kickers rapides H et V pour les études machine -1
La caractérisation de l’Anneau de stockage (acceptance; résonances) nécessite de pouvoir « kicker » le faisceau dans les 2 plans (H et V) en agissant uniquement sur 1 bunch de 300 ns.La longueur disponible est beaucoup plus courte pour le Kicker V.
Nbrtour
Inductanceaimant
Courantcrête
Tensioncharge
ImpédancePFL
µH A kV1 2,0 µH 1374 A 19 kV 4 coax 50 W //
1 0,670 µH 1488 A 15 kV 6 coax 50W //
Longmagn Angle ∫ B dl B nommm mrad mT.m mT
Kicker H 600 2 18,34 30,56Kicker V 300 0,6 5,50 18,33
Aimant Kicker H (similaire aux kickers injection)
Aimant Kicker V(étude spécifique)
Plat trise tfall
< 300 ns ~450 ns ~450 ns
à ± 5 %
Paramètres temporels
Définition des chambres céramiques
S’agissant de kickers à transition rapide (450 ns), il a fallu faire un calcul spécifique et des simulations thermiques pour déterminer le compromis acceptable entre temps de montée et échauffement dû au faisceau stocké.
Epaisseur Titane = 0.5 µm seulement
Ventilation forcée impérative.
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Les kickers rapides H et V pour les études machine - 2
Switch 25 kV – 2700 A basé sur transistors MOS rapides
Mis en parallèle et en série
Même schéma que pour les autres kickers rapides mais avec des PFL d’impédances adaptées à chaque cas:KemH = 12.5 W, KemV = 8.33 WCircuits avec PFL (formeur à câbles coax) sur charge inductive compensée
Ipeak = Ucharge/ Zc
Mais beaucoup plus de courant :
Kem H : 1400 A / 19 kVKem V : 1500 A /14 kV (réalisé)
En fait les longueurs magnétiques effectives, plus grandes que prévues, permettent de travailler un peu plus bas en courant/tension.
E
Lkick
Rcharge
Rcomp
Rabs
Dabs
Ccomp
Switch
Pulse Forming Line
Transmission Line
Kicker Magnet
Absorption circuit
Compensation circuit
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Les compétences et l’expérience disponibles dans le groupe dans le domaine des Aimants et Alimentations Pulsés couvrent :
En résumé
- La spécification technique d’aimants pulsés, d’alimentation de charge,- La sélection des switchs adéquats, et des autres composants critiques,- Le choix des sous-traitants, le suivi de fabrication, les réceptions,- La définition des besoins d’interface de contrôle commande (avec la division Informatique)
- La réalisation interne des alimentations pulsées les plus délicates (haute tension),- La mesure des performances magnétiques pulsées (champ local, intégrale de champ, champ de fuite)
- La conception complète des Systèmes magnétiques pulsés :Chambre à vide, Aimant, Alimentation pulsé
- L’amélioration des performances des aimants et des alimentations, en fonction des nouveaux besoins: Préparation de l’injection en mode Top Up,
Modification des réglages,Modification des interfaces de contrôle
Etudes avec BE et Vide
Projets nouveaux :- Collaboration avec le synchrotron SESAME,
- Transfert de connaissances vers la société SIGMAPHI (en cours de définition).