Les systèmes & mesures magnétiques F.Marteau. Les aimants de SOLEIL.

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Les systèmes & mesures magnétiques F.Marteau

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Les systèmes & mesures magnétiques

F.Marteau

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Les aimants de SOLEIL

Anneau Booster Dipoles Quadrupoles Sextupoles Dipoles Quadrupoles Sextupoles

Nombre 32 160 120 36 44 28 Alimentation 1 160 10 1 2 2

Force 1.71 T 19et 23 T/m 320 T/m² 0.74 T 11 T/m 16 T/m² longueur(mm) 1052 320 ou 460 160 2160 400 150

fabricant TESLA DANFYSIK SIGMAPHI SIGMAPHI BUDKER INSTITUTE

SEF (Toulouse)

Total of 420 aimants

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De la conception aux mesures

• Optimisation avec logiciel 3D – Tosca et Radia

• Conception mécanique et gestion des interfaces

• Spécifications techniques et plans de définition.

• Suivi de fabrication.

• Mesures magnétiques.

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Bancs pour les dipoles

dS

V

dx

S

1

2

x

yz

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Banc dipôles booster

Dipôles branchés en série

• La bobine de flux est constituée de 4 segments de 500mm mis en serie suivant la trajectoire

• Bobine réalisée en circuit imprimé

• 3 jeux de bobines sont installés aux rayons:– R = 0. & R= +-12.5mm

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Banc des multipôles

• Centrage

• Analyse harmonique

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Capteur BMS

• Très rigide• Pas d’effet de fleche

pas de mesures compensées• Analyse Harmonique

à R = 30 mm

• Réglage de l’angle

mieux que 0.1 mrad

• Réglage du centre magnétique

mieux que 25 mm

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Principe de centrage

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Resultats du centrage

•Période de 6 mois de mesure

•Très faible couplage sur l’anneau mesure du tilt correct

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Quadrupole : Analyse harmonique

Bn = bn/b2, exprimé en 10-4 @ R = 30 mm pour I = 200 A

HarmoniquesQuadrupoles courts Quadrupoles longs

Moyenne rms Moyenne rms

A3 0.4 3.2 -0.2 3.8

B3 -1.0 2.9 3.1 1.3

B4 -2.9 3.7 -8.2 1.8

B6 1.9 0.5 0.6 0.5

B10 0.7 (1.4)* 0.1 1.9 (1.8)* 0.1

B14 0.9 (0.7)* 0.1 1.0 (1.7)* 0.1

( )* : Valeurs théoriques

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HU640Period [mm]

640

Period number

14

Type Electro-magnetic

Mag. gap [mm]

19

Polarisation

LH/LV/ellipt.

Peak field [T]

0.09 (H)0.11 (V)

Quasi-Périodic

No

Energy (eV)

5 – 40

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HU640: les mesures magnétiques

Les mesures sont faites sur un banc spécial de 12 m avec sondes de Hall et bobines de flux.

Thermalized Hall Probe62D Hall Probe

Location of theCube reflector « target »

Interferometer

Sensor guide

Optical elements

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Mesures sur l’axes des champs horizontaux (vert) et verticaux (Bleu/Rouge)des trois type de bobines (vertvert : 0 - 550A : 0 - 550A/ / BleuBleu: 0 - 400A: 0 - 400A/ / RougeRouge: 0 - 300A: 0 - 300A)

Précision pour Bx et Bz: +/- 30 µTReproducibilité sur Bx and Bz: +/-20 µTReproducibilité sur Ix and Iz: +/- 50 G.cm and +/- 15 G.cm by averaging

Onduleur composé uniquement de bobine Linéarité du champ en fonction du courant

5x10-2

0

-5

T

1086420

m

-10x10-2

-5

0

5

10

T

1086420

4x10-2

0

-4

T

1086420

HU640: les mesures magnétiques

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HU256

Period [mm]

256

Period number

12

Type Electro-magnetic

Mag. gap [mm]

50 (H)/15 (V)

Polarisation

LH/LV/ellipt.

Peak field [T]

0.28 (H)0.40 (V)

Quasi-Périodic

Yes

Energy (eV)

10 – 1000

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L’onduleur HU80 installé dans le tunnel

Period [mm] 80

Period number

19

Type Apple-II

Mag. gap [mm]

15.5 - 250

Polarisation LH/LV/ellipt.

Peak field [T] 0.75 (H)0.98 (V)

Quasi-Périodic

Yes

Energy (eV) 40 – 1600

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Onduleur sous vide U20

Period [mm] 20

Period number

98

Type Hybrid In-Vac

Mag. gap [mm]

5.5 - 30

Polarisation LH

Peak field [T]

0.95

Quasi-Périodic

No

Energy (eV) 3000 – 18000

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Bancs utilisés

• Bancs de mesure équipés:– Bobines tournantes pour Ix et IZ

• Platines 2 axes +/- 125 mm

• Plateaux tournants

– Sondes de Hall selon 3 axes• Moteur linéaire 3500 ou 5500 mm

• Platines 2 axes +/- 125 mm

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Sondes à effet Hall

Bancs utilisés

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• Assemblage– Installation des modules.– Shimming des aimants permanents.– Magic finger.– Calibration des bobines de correction.

• Installation sur la machine– Caractérisation et compensation des effets sur le

faisceau

Fabrication d’un onduleur

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Construction Apple II

HU52

z

xs

M5

M1 M3

M1 M3 M5 MF Term. Module

•Trois types de modules (M1/M3/M5)•Montage des aimants selon tri génétique sur les modules (à partir des mesures avec bobines Helmholtz)•Mesures des modules sur le châssis•Assemblage des modules par itérations selon IDbuilder•Shimming pour améliorer le spectre et la trajectoire•« Magic finger » pour reduire les composantes multipolaires

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Mesures magnétiques

-1.2

-0.8

-0.4

0.0

0.4

0.8

1.2

G.m

-60 -40 -20 0 20 40 60

mm

IX after the assemblygap 15.5 mode parallele

-1.2

-0.8

-0.4

0.0

0.4

0.8

1.2

G.m

-60 -40 -20 0 20 40 60

mm

IZ after the assemblygap 15.5 mode parallele

Assembly Assembly

-1.2

-0.8

-0.4

0.0

0.4

0.8

1.2

G.m

-60 -40 -20 0 20 40 60

mm

Final IX measurements for the parallel modeat minimum gap (15.5 mm)

Shimming and MF -1.2

-0.8

-0.4

0.0

0.4

0.8

1.2G

.m

-60 -40 -20 0 20 40 60

mm

Final IZ measurements for the parallel modeat minimum gap (15.5 mm)

Shimming and MF

Phase:-90° to +90°

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Iz(G.m) en fonction du Gap(mm) pour Phase=26

-0.50-0.40

-0.30-0.20

-0.100.00

0.100.20

0.300.40

0.50

0 20 40 60 80 100 120

Phase 26 FaisceauPhase 26 Banc

Ix(G.m) en fonction du Gap(mm) pour phase=26

-0.50

-0.40-0.30

-0.20

-0.100.00

0.10

0.20

0.300.40

0.50

0 20 40 60 80 100 120

Phase +26 Faisceau

Phase +26 Banc

Iz(G.m) en fonction du Gap(mm) pour Phase=0

-0.50-0.40

-0.30-0.20

-0.100.00

0.100.20

0.300.40

0.50

0 20 40 60 80 100 120

Phase 0 FaisceauPhase 0 Banc

Ix(G.m) en fonction du Gap(mm) pour phase=0

-0.50

-0.40-0.30

-0.20

-0.100.00

0.10

0.20

0.300.40

0.50

0 20 40 60 80 100 120

Phase 0 FaisceauPhase 0 Banc

Effets sur le faisceau

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In-Vac Wiggler WSV50

Type Hybride

Aimants

Poles

NdFeB: 1.22 T

Permendur

Période 50 mm

Gap

Homogénéité

•5.5 mm : gap utile•100 mm : Parking gap•1 % à +/- 30 mm

Champs max 2.1 T

Force Magnétiques 10 Tonnes

Châssis châssis modifié U20

Motorisation •3 moteurs :•Contrôle commande SOLEIL

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EMPHU

Pole

Aimants

Type PM (Bx)/Electro(Bz)

Periode 65 mm

Gap 15.5-250 mm

Champs Maximum Bx=Bz=0.24 T

Nombre de périodes 25

Inversion de champ •40 ms

• Alimentation (+/-340A)

Bobines •2 mm tôles Cu (découpe au jet) avec feuilles kapton 50 m

•5440 A.t

Aimants NdFeBo: 1.22 T

Prototype

Refroidissement

Paramètres

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Alimentations pour l’onduleur EMPHU65

Le fonctionnement du synchrotron nécessite un grand nombre d’alimentations de puissance dont la définition, la recette et la mise en service ont été assurées par le groupe Alimentations & Aimants Pulsés de la division Sources. Ce groupe est maintenant en charge de leur maintenance et de nouveaux développements dans ces domaines.

Alimentations des électroaimants

Les alimentations de l’onduleur électromagnétique EMPHU sont conçues et réalisées en interne par le groupe Alimentations & Aimants Pulsés. Cet onduleur nécessite :- une alimentation principale fournissant un courant pouvant varier rapidement en 40 ms max, sur toute la plage de +350A à -350A, sans overshoot. Elle doit présenter une résolution et une stabilité sur le courant établi de +/-50 ppm.- des alimentations de corrections rapides (quelques centaines de Watts), destinées à compenser les pics de transition, synchronisées aux variations de l’alimentation principale.

L’alimentation principale de l’onduleur EMPHU est de technologie à découpage. Son rendement théorique est de 85%. La régulation du courant de sortie est entièrement numérique.

Cartes de régulation et de conversion

Analogique / Numérique

Montage des semi-conducteurs de puissance pour l’alimentation de l’onduleur EMPHU

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Alim pour une boucle de correction Booster

Les courants différents dans les câbles des aimants quadrupôles et sextupôles du Booster perturbent l’orbite du faisceau stocké.Une boucle de courant de compensation, alimentée par une alimentation fournissant un courant de correction, va être installée en vue du Top Up. Cette alimentation sera développée par le groupe Alimentations & Aimants pulsés cette année.

Dans le cadre du travail pour minimiser l’impact sur la stabilité du faisceau des variations d’entrefer et de phase des insertions motorisées, le groupe Alimentations & Aimants pulsés va modifier le mode de pilotage des alimentations de correcteurs de ces onduleurs. La lenteur des interfaces Profibus de ces alimentations engendre des temps de réponse inadaptés à la correction d’orbite par anticipation (feedforward). Par ailleurs le synchronisme entre les alims est insuffisant, ce qui dégrade encore la stabilité du faisceau lors des variations d’entrefer et/ou de phase. Un mode de pilotage en analogique va être conçu et mis en place sur chacune de ces alimentations. Il devrait permettre de réduire notablement les transitoires d’orbite constatés lors des changements de configuration d’une insertion.

Alimentations des InsertionsPics d’orbite

Autres développements du groupe Alimentations & Aimants Pulsés

Variation de l’entrefer de l’onduleur U20 de la ligne PX1

Gap

Salle Alimentations du Booster

Alims quadrupôlesAlims dipôles

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Les compétences et l’expérience disponiblesdans le groupe Alimentations et Aimants Pulsés couvrent :

- La spécification technique d’alimentations de puissance en fonction du besoin,- La sélection de sous-traitants, le suivi de fabrication, les réceptions,- Les mesures des performances en laboratoire : 10 ppm de stabilité, ou 50 ppm selon les alims.- Le réglage du tracking entre alimentations (suivi à chaque instant) : 10-3 pour les alims du

Booster.

- La conception complète de nouvelles alimentations :Convertisseur de puissance,

Commande numérique, régulation de précision, mesures, Interfaces de contrôle à distance.

- La réalisation d’alimentations spécifiques, les tests et mesures de performances.

- L’amélioration des performances des alimentations, en fonction des nouveaux besoins :Modification des régulations,Modification des interfaces de contrôle.

- La maintenance des alimentations (de conceptions différentes selon les fournisseurs).- La gestion des rechanges nécessaires.

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Conclusion

•Acquisition du savoir-faire pour la conception magnétique (Electro-aimants et insertions)

•Développement de bancs de mesures magnétiques

-Maintient des équipements en état de marche

•Activités de construction d’insertions importantes

•Relation étroite avec le groupe Alim le fonctionnement en mode dynamique des insertions