1

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.

3

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

4

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

5

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

7

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

8

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

9

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.

11

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

12

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).