課件201503——注入引出2

1、中國科學(xué)院中國科學(xué)院高能物理研究所加速器中心電源組注入引出技術(shù)注入引出技術(shù)第二講：切割磁鐵和沖擊磁鐵陳錦暉 2015年3月10日課程內(nèi)容第一講：注入引出的物理機(jī)制和主要方式第二講：切割磁鐵和沖擊磁鐵第三講：高壓大電流快脈沖電源本講提綱切割磁鐵和沖擊磁鐵是注入引出系統(tǒng)中兩個(gè)最主要的部件，分別承擔(dān)著不可替代的作用。本講將從切割磁鐵和沖擊磁鐵的主要技術(shù)要求和特點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)介紹這兩種特種磁鐵常見的類型和基本結(jié)構(gòu)。值得注意的是，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，沖擊磁鐵及其脈沖驅(qū)動(dòng)電源（第三講）必須統(tǒng)一起來考慮，稱之為沖擊磁鐵系統(tǒng)。因此，本講這部分內(nèi)容將會(huì)和第三講的內(nèi)容穿插起來，但會(huì)有側(cè)重點(diǎn)。第一部分：切割磁鐵（sep

2、tum）系統(tǒng)切割磁鐵是位于束流輸運(yùn)線和環(huán)形加速器交叉銜接處的一組特種磁鐵，用于偏轉(zhuǎn)注入束，盡可能減少注入束軌道和平衡軌道的夾角。切割磁鐵既要產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)來偏轉(zhuǎn)注入束，又不能影響在它旁邊擦肩而過的循環(huán)束流。因此，“切割”二字的含義可以理解為將空間切割成兩半，一邊是由它建立的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，用于偏轉(zhuǎn)注入束,而另一邊必須是無場(chǎng)區(qū)，以免影響在那里通過的循環(huán)束流。同時(shí)切割板的厚度必須盡可能的薄。為了讓注入束盡可能地貼近環(huán)形機(jī)器的平衡軌道,通常切割磁鐵要置放在高真空中，因此除電磁性能和機(jī)械結(jié)構(gòu)的特殊要求外，還必須滿足真空性能的要求。循環(huán)束循環(huán)束切割磁鐵的分類 按照切割板的薄厚分 厚切割磁鐵（體積大，偏轉(zhuǎn)場(chǎng)強(qiáng)）

3、薄切割磁鐵（體積小，偏轉(zhuǎn)場(chǎng)弱） 按照切割板的材料分 銅切割磁鐵（導(dǎo)流板型、渦流板型） 鐵切割磁鐵（Lambertson鐵）注意：切割板是真實(shí)存在的一塊“板”或“壁”，它是切割鐵主場(chǎng)區(qū)和漏場(chǎng)區(qū)的分界線導(dǎo)流板型切割磁鐵 顧名思義，導(dǎo)流板型切割磁鐵勵(lì)磁電流是從切割板流過的。 重點(diǎn)介紹： 導(dǎo)流板型切割磁鐵是如何降低漏場(chǎng)？ 影響漏場(chǎng)有哪些因素？ 導(dǎo)流板型切割鐵結(jié)構(gòu)、材料、工藝有什么特點(diǎn)？同軸穿墻件同軸穿墻件饋電端饋電端冷卻水冷卻水勵(lì)磁脈沖勵(lì)磁脈沖注入束注入束線圈內(nèi)側(cè)線圈內(nèi)側(cè)線圈外側(cè)（切割板）線圈外側(cè)（切割板）切割板緊固擋板切割板緊固擋板鐵芯支撐架鐵芯支撐架10 11 12 13 14 導(dǎo)流板型切割磁鐵是

4、如何降低漏場(chǎng)鐵芯導(dǎo)流板（線包）顯然這種類似于二極磁鐵的勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，磁間隙外有很大的漏場(chǎng)，是無法滿足切割磁鐵要求的。15 IIab e f鐵中理想的導(dǎo)流板型切割鐵： 鐵芯磁導(dǎo)率無窮大(B=H) 導(dǎo)流板和鐵芯無間隙 導(dǎo)流板中冷卻水道安培環(huán)路定律安培環(huán)路定律:16 17 18 導(dǎo)流板型切割磁鐵設(shè)計(jì)考慮1.切割鐵的基本要求漏場(chǎng)小：線圈外側(cè)(切割板)嵌入磁間隙中，上下表面與鐵芯應(yīng)當(dāng)是滑配合，間隙盡可能??；滑配造成鐵芯和切割板存在電連接鐵芯應(yīng)與真空箱絕緣隔離約1%的勵(lì)磁電流將流經(jīng)鐵芯（鐵芯疊片彼此絕緣，切割板與鐵芯接觸點(diǎn)?。┚€圈內(nèi)側(cè)與鐵芯絕緣良好。絕緣良好絕緣良好滑配滑配19 導(dǎo)流板型切割磁鐵設(shè)計(jì)考慮2.勵(lì)

5、磁線圈要承受很大的電磁力：壓強(qiáng)=磁間隙的磁場(chǎng)密度 P=4B (T. kg/cm2)例：長1 m，高30 mm的切割板，在B=1 T情況下，受到1.2噸的排斥力 線圈需要固定，且固定件和線圈絕緣勵(lì)磁線圈隨溫度變化而伸縮，造成與固定件 之間的摩擦，由于接觸面壓強(qiáng)大，因此摩擦 力很大，材料必須耐磨切割板在電磁力作用下的形變 支撐點(diǎn)在上下邊緣脈沖激勵(lì)情況下，要產(chǎn)生振動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，力學(xué)定量分析是必要的導(dǎo)流板的定位支撐與減震導(dǎo)流板的定位支撐與減震 20 導(dǎo)流板型切割磁鐵設(shè)計(jì)考慮3.電流密度與冷卻方式電流密度:J=B/0d 磁感應(yīng)強(qiáng)度B和切割板厚度d定下來，再考慮到冷卻孔徑，電流密度也就定了 例：B=1 T，d

6、2 mm，電流密度=400 A/mm2， 從發(fā)熱、溫升、及冷卻角度看，無論如何是 不可以的；通常取100 A/mm2左右比較合理。過高的溫升后果： 過度膨脹、絕緣介質(zhì)老化、出氣、焊接處應(yīng)變冷卻方式：邊緣冷卻（熱阻大，效果差，多用于1-2mm薄切割鐵）內(nèi)孔冷卻（冷卻效果好，允許較大電流密度100 A/mm2 ）外方內(nèi)圓銅線排焊外方內(nèi)圓銅線排焊21 導(dǎo)流板型切割磁鐵設(shè)計(jì)考慮4.放射性輻射劑量高：輻射會(huì)造成絕緣介質(zhì)性能變壞，耐磨性減退5.要滿足高真空要求：整個(gè)切割鐵置于真空箱高真空度：10-710-8Torr（儲(chǔ)存環(huán)要求10-910-10Torr ）全部材料要求出氣率低，耐烘烤疊片鐵芯設(shè)計(jì)，要考慮鐵

7、芯總出氣面積大，表面絕緣處理及清洗工藝要求高冷卻水入真空箱，必須保證水管焊縫不能留在真空箱內(nèi)，水、電接頭穿墻件必須滿足高真空要求6.勵(lì)磁方式：選擇脈沖勵(lì)磁，可以有效降低線圈歐姆損耗，降低溫升，提高電流密度；但是脈沖激勵(lì)下，又必須考慮鐵芯的渦流損耗，和線圈耐壓和趨膚效應(yīng)。7.剩磁的影響：勵(lì)磁脈沖電流是單向的，剩磁對(duì)束流的影響不可忽視，必須進(jìn)行剩磁矯正22 導(dǎo)流板型切割磁鐵成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)鐵芯磁性材料：高導(dǎo)磁率，低渦流損耗鐵芯為C型，由硅鋼片疊裝組成。片數(shù)多達(dá)幾千片，放入真空中，出氣面積很大。為減少出氣從硅片的加工工藝到表面絕緣涂層都必須有嚴(yán)格的工藝規(guī)范。長脈沖勵(lì)磁情況下可采用厚的鐵片(1.5mm)，

8、含碳0.03，矯頑力低于0.5 Oe。表面絕緣可采用空氣中氧化的辦法獲得。短脈沖可考慮采用超微晶或非晶材料 23 導(dǎo)流板型切割磁鐵成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)線圈（切割板）銅材與制作 勵(lì)磁電流通常是幾千乃至上萬安培，勵(lì)磁導(dǎo)體電流密度很高，熱損耗上千瓦，必采用水冷。 切割板材料：無氧銅，純度高于99.99，導(dǎo)電率指標(biāo)IACS為100。純度不高，易裂。 線圈制作：外方內(nèi)圓的無氧銅管排焊而成外方邊寬等于切割板厚度（如若是單匝），內(nèi)圓作為冷卻水通路。真空銀焊：在氬氖混合氣體保護(hù)下，785的爐中進(jìn)行。線圈端部成型要在氬氣保護(hù)之下，用歐姆熱快速退火，彎曲成型。水路并聯(lián) 電路串聯(lián)24 導(dǎo)流板型切割磁鐵成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)絕緣材料切

9、割磁鐵多處需要絕緣：如內(nèi)導(dǎo)體與鐵芯之間，切割板與其固定壓板之間等等。材料要求耐磨，并且在大劑量長期輻照下，耐磨性能不減退。絕緣材料不宜采用有機(jī)材料，至少不全是有機(jī)材料： 高鋁瓷(Al2O3) ：用等離子噴涂的辦法，在金屬表面生成60 m0.3 mm厚度不同的Al2O3絕緣膜。 某些環(huán)氧或聚酰亞胺：抗輻射性能還可以，如用玻璃纖維加23的聚酰亞胺作填充物。這種材料容易成型，可以作成所需形狀的絕緣殼。薄與厚切割磁鐵組合式結(jié)構(gòu)切割板越薄越難做可將切割磁鐵做成切割板薄厚不等的多塊切割磁鐵。沿注入束前進(jìn)方向，切割板由厚變薄。在注入點(diǎn)的最后一塊切割板最薄。比如說分成三塊，切割板厚度可以是24mm，12mm，

10、4mm。厚切割板可以做成多匝，磁場(chǎng)可以更強(qiáng)，分擔(dān)更大的偏角，減輕薄切割磁鐵的難度。25 渦流板型切割磁鐵 渦流板型切割磁鐵：是利用切割板的渦流屏蔽效應(yīng)達(dá)到抑制漏場(chǎng)的目的 因此，渦流板型切割鐵一定是脈沖激勵(lì) 切割板沒有勵(lì)磁電流流過，因此沒有導(dǎo)流板型切割磁鐵那么復(fù)雜，比較適合于薄切割鐵 近十年才發(fā)展起來的一種新型磁鐵 無論是理論上還是技術(shù)實(shí)踐方面都有些尚待解決的問題26 渦流板型切割磁鐵勵(lì)磁繞組是繞在磁間隙與磁軛背后。切割板即渦流板并沒有勵(lì)磁電流流過。切割板的厚度=屏蔽板+儲(chǔ)存環(huán)真空盒壁厚例如：上海光源預(yù)研的切割磁鐵，切割板厚度2.5mm，采取復(fù)合屏蔽（銅1.7mm鐵0.8mm）漏場(chǎng)小于0.1。疊

11、片磁芯疊片磁芯勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組儲(chǔ)存環(huán)真空盒儲(chǔ)存環(huán)真空盒注入束真空盒注入束真空盒Cu渦流屏蔽板渦流屏蔽板冷卻水路冷卻水路磁屏蔽（鐵真空盒）磁屏蔽（鐵真空盒）27 渦流屏蔽和趨膚深度 渦流屏蔽：u=-d/dt=-SdB/dt 趨膚深度：28 勵(lì)磁脈沖寬度對(duì)漏場(chǎng)的影響29 渦流板（切割板）厚度對(duì)漏場(chǎng)的影響30 全正弦脈沖對(duì)漏場(chǎng)的影響 漏場(chǎng)延遲特性（取決于渦流衰減常數(shù)）31 Lambertson型切割磁鐵發(fā)明者：Lambertson鐵切割器：切割板是“鐵”特點(diǎn)：只適用于作垂直偏轉(zhuǎn)，即注入束是從環(huán)形加速器水平面下方（或上方）經(jīng)輸運(yùn)線傳送過來，更容易在水平方向靠近環(huán)的平衡軌道，但一定與水平面存在一個(gè)夾角。

12、優(yōu)點(diǎn)：最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)、最可靠的切割磁鐵32 Lambertson型切割磁鐵結(jié)構(gòu)Lambertson鐵的技術(shù)指標(biāo)：漏磁場(chǎng)要小(一般15)主場(chǎng)區(qū)磁場(chǎng)要足夠強(qiáng)，好場(chǎng)區(qū)足夠?qū)挏p小漏場(chǎng)基本措施：選用導(dǎo)磁率高的磁性材料采用圖示對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并且在可能的情況下增大角?？刹捎弥绷鲃?lì)磁，所以磁芯可采用整塊鐵，材料可選用導(dǎo)磁率高的電工純鐵(含碳量g=2l/c，這里l是kicker的有效長度，c是光速，g稱為“kick growth time”；為了前后相鄰的束團(tuán)避開偏轉(zhuǎn)力作用，又要求：tp2-2l/c，這里是束團(tuán)間隔時(shí)間；因?yàn)閷?shí)際的電脈沖不可能是標(biāo)準(zhǔn)的矩形脈沖，存在一定上升、下降和平頂時(shí)間，所以要求lc/2。53 脈

13、沖六極磁鐵（脈沖多極場(chǎng)） 最早由日本Hiroyuki Takaki等人于2007年提出； 這種方式利用六極磁場(chǎng)在中心為零而偏離中心迅速增大的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)只對(duì)注入束流偏轉(zhuǎn)而不對(duì)循環(huán)束流造成擾動(dòng)的理想注入； 2009年日本KEK PF利用一臺(tái)脈沖六極磁鐵實(shí)現(xiàn)了“Top-up”注入，而且證明了比傳統(tǒng)的凸軌注入方式對(duì)循環(huán)束流的擾動(dòng)更小。54 脈沖六極磁鐵注入方式的優(yōu)點(diǎn)l不需要局部凸軌，注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、可以節(jié)省長直線節(jié)；l注入脈沖磁鐵和電源數(shù)減少，節(jié)約工程建設(shè)經(jīng)費(fèi)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；l能夠克服傳統(tǒng)注入方式的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)理想的無擾動(dòng)、高穩(wěn)定度的Top-up注入，提高了高通量同步輻射光的性能。55 脈沖六極磁鐵物理設(shè)計(jì)為減小磁鐵電感為減小磁鐵電感1）線圈二合一；）線圈二合一；2）減小線圈窗框；）減小線圈窗框；3）總安匝數(shù)不變。總安匝數(shù)不變。為提高勵(lì)磁效率為提高勵(lì)磁效率1）圓形極面；）圓形極面；2）圓形線圈導(dǎo)體；）圓形線圈導(dǎo)體；3）空氣隙區(qū)域減?。┛諝庀秴^(qū)域減小，電感減小。，電感減小。56 總結(jié) 本講詳細(xì)介紹了注入引出系統(tǒng)兩個(gè)最主要的部件：切割磁鐵和沖擊磁鐵