Bending Magnets for the Metrology Light Source P. Budz, M. Abo-Bakr, K. Bürkmann, V. Dürr, J. Kolbe, D. Krämer*, J. Rahn, G. Wüstefeld BESSY GmbH, Berlin, Germany; * now at GSI, Darmstadt, Germany R. Klein, G. Ulm Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Berlin, Germany I. Churkin, A. Batrakov, S. Belokrinitskiy, I. Ilyin, A. Philipchenko, E. Rouvinski, L. Schegolev, E. Semenov, S. Sinyatkin, A. Steshov, K. Zhilyaev Budker INP, Novosibirsk, Russia Доклад посвящен особенностям поворотных магнитов, изготовленных ИЯФ для PTB и BESSY. В этой работе принимали участие указанные специалисты от Заказчика и Исполнителя.
OUTLOOK Status of MLS Bending Magnet: view, requirements Manufacturing: lamination, yoke, coils, support Measurements: mechanical (technique, results) magnetic (technique, results) Conclusion В докладе остановимся на основных требованиях на поворотный магнит, особенностях его изготовления, результатах механических и магнитных измерений
Metrology Light Source P.Budz … “Status of MLS” Energy 200 - 600 MeV Circumference 48 m Current Lifetime 200 mA 1 – 10 h Bending magnets Quadru/sextu/octu- poles 8 24 / 24 / 4 Вчера был устный доклад Peter Budz о статусе MLS, здесь только кратко напомню, что MLS предназначен для метрологических и технологических целей в области УФ и EUV. Диапазон энергий электронов – от 200 до 600 МэВ, ток – до 200 мА. Магнитная система на длине 48 м содержит 8 дипольных магнитов, по 24 квадрупольные и секступольные линзы и 8 октуполей. metrology and technology development in UV and EUV 2008 - user operation
MLS SR Bending Magnets Back view Front view С-образный поворотный магнит имеет 2 катушки возбуждения (по 3 блока, на одной из которых имеются корректирующие обмотки. Front view
MLS SR Bending Magnets Number of magnets 8 Nominal Beam energy, MeV 600 Bending angle, deg 45 Bending radius, mm 1528 Gap, mm 50 ± 0.02 Identity of mean gap value from magnet to magnet, mm ± 0.02 Effective magnetic length, m 1.2 Field range, T up to 1.5 Good field area, mm2 60 x 36 Homogeneity dB/B 2.5x10-4 Current, A 630 Power Consumption, kW Weight, kg 6500 Требования на поворотные магниты были довольно жесткими: так точность изготовления зазора - +- 20 мкм. Угол поворота – 45 градусов.
Bending Magnets ANALOGS SAGA dipole smaller 22.5 of bending angle BESSY straight dipole что усложнило изготовление сердечника по сравнению с аналогами (22.5 градусный магнит для САГА и прямой магнит для BESSY). Сердечник изготовлялся по комбинированной технологии: концевые пакеты – клееные, центральная часть сварная. Параллельность торцов в полюсной части – не более 0,5 мм, фасочная часть сердечников не хуже +- 0,1 мм. Магнит стоит на 3 подвижных пьедесталах, сверху с точностью 0,1 мм выставлены геознаки.
Stamping by «Sibtekstilmash” Manufacturing Lamination 960 x 729.5 15 m for --- 50 m 0.5 mm M940-50 (EBG, Bochum, Germany) Stabolit 70 – end packs (100 mm) Stabolit 20 – central part Все пластины штамповались на новосибирском заводе «СТМ» из 0,5 мм стали М940-50А из Вохума, часть стали была с покрытием Stabolit 70 (для концевых пакетов), а часть – со Stabolit 20 (для центральной части). Требования на штамповку были весьма жесткими – до +- 15 мкм в полюсной области, и замеры готовых пластин показали, что профили лежали в поле допусков. Stamping by «Sibtekstilmash” Novosibirsk
Manufacturing Combined technology: 100 mm glued end packs Welded central part Сердечник был изготовлен по комбинированной технологии: концевые пакеты (по 100 мм) запекались из пластин электротехнической стали с клеевым покрытием, а центральная часть набиралась из пластин с покрытием под сварку.
Manufacturing Концевые пакеты запекались отдельно в специальных стапелях, затем отдельные пластины под «сварку» и концевые пакеты устанавливались в показанный на слайдах стапель. Специальными пластинами сердечник проваривался со стороны межполюсного зазора, сверху, снизу (относительно зазора). Затем сердечник вынимался из стапеля и приваривались пластины с торцов и с задней части.
Manufacturing Thermal stress testing - for every 4th coil 20 cycles: 30 °C 95°C 30 °C Катушки изготавливались из водоохлождаемой шинки производства OUTOKUMPU размерами 21х12 мм с каналом в 5 мм. В каждом блоке по 14 витков. Кроме того, каждую 4-ую катушку требовалось проверять по термострессовой нагрузке на 20 циклах: перепады температур – от 30 до 95 градусов. На графиках справа показаны один и несколько циклов термострессов. 21 x 12 / 5 mm2 OFHC (Outokumpu) 14 windings in 2 layers 6 “pancakes” (2 with trim coils) 23.5 min duration of cycle Epoxy impregnation
The tolerance of Dipole positioning is ± 0.2 mm Manufacturing Stand for Dipole Shuttle distance - 370 mm The tolerance of Dipole positioning is ± 0.2 mm Pedestals for Dipoles Все магниты на кольце устанавливаются на подвижной скамье, которая должна перемещать диполи – до 370 мм и возвращать на прежнее место (в кольцо) с точностью около 0.2 мм. Данные скамьи были также изготовлены ИЯФом. На каждом диполе есть по 3 пьедестала, позволяющие выставлять диполь по высоте.
Mechanical measurements Gap Reference (± 0.02) Average magnet Shim in, mm 48.611 48.600 ± 0.015 Middle, mm 50.000 50.005 ± 0.010 Shim out, mm 48.610 ± 0.015 По контракту ИЯФ должен был провести измерения механических характеристик всех диполей, в том числе длины по торцам и фаскам, зазоры. На слайде приведены данные замеров по зазорам вдоль сердечников. ………….. Shim in 48,610±0,040 Middle 50,010±0,040 Shim out 48,605±0,045 У всех магнитов зазоры не отличаются более, чем на 0,02 мм в центре и 0,03 мм по шимам. “1” = 50 mm
Mechanical measurements На слайде в виде гистограммы приведены результаты по средним зазорам магнитов. Все отклонения от средней величины не превышает требуемых (+- 0,02 мм). В таблице показаны сравнения между измеренными и требуемыми величинами по длинам, прогибу и коэффициенту заполнения. В та Shim in 48,610±0,040 Middle 50,010±0,040 Shim out 48,605±0,045 У всех магнитов зазоры не отличаются более, чем на 0,02 мм в центре и 0,03 мм по шимам. Parameter Reference Measured average dipole Yoke length L, mm 11080.5 1108.265 ± 0.424 Distance between chamfers Lc, mm 10820.1 1081.925 ± 0.110 (10-4) Sag, mm < 0.3 Stacking factor, % 97 99.7 ± 0.2
Magnetic measurements Magnetic field mapping in Cartesian coordinates by 2 runs (with parallel shift) Магнитные измерения проводились с помощью датчиков Холла. Декартовая карта поля снималась при 2-х проходах вдоль магнита, как показано на рис. Сверху. Каретка с датчиками Холла двигалась внутри направляющей, установленной в апертуре магнита. Carriage with Hall probes in the guide mounted in the magnet aperture
Magnetic measurements На каретки расположены 25 датчиков Холла через 10 мм. Процесс магнитных измерений показан на фотографии справа. Carriage with the Hall probes 1 –temperature sensor, 2 –Hall probes, 3 – NMR probe Dipole at the magnetic measurement stand (BINP)
Magnetic measurements Capability of magnetic measurement system Parameter B/B I /I Spatial alignment (Hall probes, direction and linearity of carriage movement) 1.5.10-5 1.7.10-5 Temporal stability of *: BM`s excitation current Hall probe current 2.10-5 10-5 1.8.10-6 0.9.10-6 Temperature stability 2.4.10-5 Accuracy of Hall probe calibration 4.5.10-5 Electronics noise contributions 4.4.10-5 4.0.10-6 Resulting accuracy 7.2.10-5 6.2.10-5 Возможности системы магнитных измерений для дипольных магнитов представлены в таблице на слайде. Суммарная точность измерений – лучше 10-4 как для магнитных полей, так и для интегральных характеристик.
Magnetic measurements Magnetic field profiles in the central cross-section at B=0,21 T На слайде показаны поперечные распределения полей в центральном сечении магнитов при номинальном магнитном поле (1.3 Т - слева) и при инжекционном поле (0.21 Т - справа). То есть все магниты можно считать одинаковыми с точностью измерений и ожидаемому разбросу (0,000045) при соблюдении требуемой точности изготовления. При соблюдении требований на изготовления ожидаемый разброс – 0,000045, а точности измерений – не лучше 0,000075. Разброс внутри усов (0.000045) по изготовлению и по измерениям (0,000075) На графиках «+» - внутри магнита Усы – пунктиры на рис. справа Magnetic field profiles in the central cross-section at B=1.3 T
Magnetic measurements Поперечные распределения интегрального магнитного поля, приведенного к средине магнита показаны на графике. Здесь же приведены расчета для 1.3 и 0.21 Т для шихтованного магнита с 98 процентным заполнением сердечника? Integral magnetic field profiles (measured and calculated at B=1.3 T)
Magnetic measurements Продольное распределение магнитного поля показано на графике, в центре – в увеличенном масштабе (видны отклонения обусловленные отклонению зазора и магнитных характеристик стали). Typical longitudinal profile (dipole #3) of the magnetic field (B0=1.3 T) B=1.3005 ± 0.0013 T (10-3) Leff = 119.219 ± 0.068 cm (6.10-4) E = 591.8 ± 0.7 MeV Integral = 1.5504 ± 0.0017 T.m (1.1.10-3)
Magnetic measurements Зависимость эффективной магнитной длины от поля в магните №1 и результаты расчетов для шихтованного магнита (с коэффициентом заполнения 98 % и сплошного сердечника) показаны на графике. Заметно насыщение после 1,3 Т. Dependence of the effective length from excited current (measurement results for dipole #1 and calculation)
Magnetic measurements Calculation Measurement Laminated magnet Solid magnet Average magnet Stacking factor (yoke laminations) 0.98 1.0 0.997 Curren.turns, A.turns 4297 26502 26124 Magnetic field, T 0.212 1.305 1.301 Calculated particle energy, GeV 0.0968 0.5882 0.5956 0.5918 ± 0.0007 Effective magnetic length, cm 119.70 118.04 119.57 119.22 ± 0.07 Dipole h (1/m): 0.656 0.665 0.657 0.655 Quadrupole k (1/m2): -0.0188 -0.0293 -0.0271 -0.0239 ± 0.0010 Sextupole s (1/m3): -0.531 -0.809 -0.762 -0.7238 ± 0.0188 Octupole o (1/m4): -7.15 -9.95 -16.48 - 10.51± 1.43 Суммарные результаты измерений и сравнение с расчетами для различных магнитов показаны в таблице. Видно хорошее соответствие полученных результатов ожидаемым величинам. Дипольный магнит, как и остальные магнитные элементы, первоначально были рассчитаны на Mermaid.
Conclusion Produced Bending Magnets meet the requirements Magnetic and mechanical measurements are correlated Magnetic measurements confirm 3D modeling Bending Magnets are being installed on the SR MLS В заключение хотелось бы подчеркнуть, что нам удалось изготовить дипольные магниты с высоким качеством, полученные результаты магнитных измерений подтвердили модельные расчеты. Результаты механических и магнитных измерений хорошо коррелируют между собой. В настоящее время магниты находятся на площадке Заказчика, и наши коллеги устанавливают их на Кольцо.
Conclusion International Team and Bending Magnet at BINP Workshop Bending Magnets at MLS