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 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