Aimants chauds

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  • Leslectro-aimants

    pour acclrateursmhstodel@ganil.fr

    1MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs

    mhstodel@ganil.fr

  • Plan

    1. Introduction : dfinitions, principes physiques1. Terminologie

    2. Elments doptique

    3. Elments de magntostatique / lectricit

    4. Elments de mcanique et thermique

    2. Conception des lectro-aimants pour acclrateur1. Les outils : CAO et lments finis

    2. Diples / steerers

    3. Quadriples / hexaples

    4. Solnodes

    5. Autres aimants : Septums, onduleurs, cyclotrons

    3. Fabrication1. Bobine

    2. Culasse

    3. Refroidissement / scurit

    4. Mesures 4. Mesures 1. Mcaniques

    2. Magntique

    5. Autres considrations1. Alimentations

    2. Hystrsis

    3. Aimants pulss

    4. Matriaux magntiques

    5. Aimants permanents

    6. Notions de couts, de planning

    6. Rfrences utiles1. Constructeurs

    2. Bibliographie

    7. Annexes : calcul quad., plaques de garde,

    MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs 2

  • 1-1 : Introduction/terminologie

    Un lectro-aimant classique pour

    acclrateurs, est un aimant qui

    produit un champ magntique

    partir dun courant lectrique et qui

    est ventuellement refroidi par eau

    ou par air.

    Le circuit lectrique (appel bobine)

    produit le champ magntique ou

    induction magntique(B). Il est induction magntique(B). Il est

    rsistif.

    Le circuit magntique est constitu

    du ple qui met en forme le champ,

    et de la culasse qui permet le

    rebouclage des lignes de champ.

    Il est constitu de : cuivre (ou

    aluminium), fer doux, isolant,

    systmes de protection

    MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs 3

  • 1-1 : Introduction/terminologie

    Lentrefer est la zone qui se trouve

    entre les deux ples

    On utilise parfois des chanfreins afin

    dobtenir une meilleure qualit de

    champ ou ajuster la longueur

    magntique

    B est exprim en Tesla (T) ou en Gauss (1 T = 10000 Gauss)

    Le champ magntique terrestre est de lordre de 0,3 0,5 Gauss

    H (excitation magntique) est exprim en A/m

    4MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs

  • 1-2 : Introduction/lments doptique

    A quoi sert le champ magntique dans les

    acclrateurs ?

    Il nagit que sur des particules chargesOrdre 0 : Dviation (steerers, diples, balayage)

    Ordre 1 : Focalisation (solnodes, quadriples)

    Ordre suprieurs : Corrections (hexaples, octuples, )

    ( )BVqF rrr =Force de Lorentz:

    force charge vitesse champ

    octuples, )

    Action combine (ex: dviation plus focalisation)

    Il est toujours imparfait, le rle de concepteur est de se rapprocher du modle

    utilis par les opticiens.

    La qualit de champ produit conditionne la capacit raliser la fonction

    recherche (ex: diple de spectromtre,

    quadruple dun synchrotron)

    By Andre.holzner - python/matplotlib, CC BY-SA 3.0,

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  • 1-2 : Introduction/lments doptique

    Voir [WOLLNIK] ou [SEPTIER]Notion de rigidit

    magntique B : Bq

    p

    Bq

    vM

    ..

    . ==

    R

    )cos1( = RD

    Dispersion en position dun diple

    secteur homogne dangle Sans acclration ni ralentissement, le B

    caractrise une ligne

    La solution aimant rsistif convient pour des B

    intermdiaires, et/ou un besoin de fiabilit.

    On utilise la solution supraconductrice lorsque la

    solution classique nest plus suffisante.

    6MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs

    Ex: spectromtre S3

    @GANIL/SPIRAL2

    ppppp + ,,http://nptel.ac.in

    R

    R

    R

    p

    pDx

    = .

    solution classique nest plus suffisante.

    A linverse, on peut utiliser une solution

    lectrostatique si lon avait besoin dun champ B

    faible.

    mmmmm + ,,

    Si v homogne, slection en masse

  • 1-2 : Introduction/lments doptique

    7MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs

    Focalisation/dfocalisation par

    angle de diple

  • 1-3 : Introduction/lments de magntostatique et dlectricit

    FLUX DINDUCTION travers une surface ferme quelconque (Maxwell Thomson)

    Flux rentrant = flux sortant

    CIRCULATION le long dun contour ferm quelconque

    Lorsquune ligne de champ se referme sur elle mme elle entoure toujours un courant

    0 B div 0 sdBSf

    ==rrr

    MAGNETOSTATIQUE DANS LE VIDE (Maxwell)

    Il nexiste pas de mono ple magntique

    8

    Lorsquune ligne de champ se referme sur elle mme elle entoure toujours un courant

    LOI D AMPERE DANS LE VIDE IldBc 0

    =rr

    LOI DE BIOT ET SAVART

    30

    4

    r

    rldIBd

    rrrr =

    IBrrr

    0 ot =

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  • 1-3 : Introduction/lments de magntostatique et dlectricit

    MAGNETOSTATIQUE EN PRESENCE DE MATIERE

    La matire, sous linfluence dun champ magntique H prend une aimantation M

    Lintensit daimantation M augmente

    On considre le vecteur H (excitation magntique) tel que

    M(H)

    HBrr

    =THEOREME D AMPERE IdlHc

    =r r 0=

    0 = 4.10-7 kg.m.A-2.s-2r = 1 dans lair

    9

    Lintensit daimantation M augmente

    vite, puis lentement et tend vers une

    asymptote correspondant la valeur de

    saturation Ms

    Elle tend vers une asymptote:

    la droite B = 0 H + Ms

    MHBrrr

    += 0

    Linduction B est la somme des deux composantesB

    MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs

  • 1-3 : Introduction/lments de magntostatique et dlectricit

    1500

    2000

    2500

    3000

    3500

    La permabilit relative chute aprs 0,5 Tesla

    Fer doux :

    10

    0

    500

    1000

    0 0.5 1 1.5 2 2.5

    BT

    Induction magntique maximum au-del de laquelle laimantation M napporte

    plus de contribution significative. Dans le fer, 1.8 Tesla environ

    Extrait encyclopdie Larousse

    MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs

  • 1-3 : Introduction/notions de magntostatique et dlectricit

    ACIER DU CIRCUIT MAGNETIQUE

    (1) Mode d'laboration Forg ou lamin

    (2) Teneur en carbone < 0,06 % 0,006(3) Caractristiques magntiques

    H (A/m) Bminima (Tesla) pour chaque chantillon300 0,79800 1,341250 1,49

    11

    1250 1,493000 1,648000 1,7913000 1,8920000 1,99

    Champ coercitif Hc < 80 A/m aprs excitation 30000 A/m

    (4) Caractristiques mcaniques

    E 0,2 % > 12 daN/mm2

    R > 25 daN/mm2

    MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs

  • 1-3 : Introduction/lments de magntostatique et dlectricit

    Circuit R,L nergie totale (obtenue par simulation) L souvent en centaines de mH Ordre de grandeur temps de dcharge (L/R) : centaines de ms Utilisation dans la rgulation en courant

    2

    2

    1LIEtot =

    12MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs

  • 1-4 : Introduction/lments de mcanique et de thermique

    Force exerce dans un diple

    0

    2

    .2

    .

    SB

    F =Ex:

    B = 1T,

    S = 1m2

    F = 40 tonnes

    Force exerce sur un conducteur (force de Laplace)

    BdlIFdrrr

    =

    13MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs

  • 1-4 : Introduction/lments de mcanique et de thermique

    Refroidissement des bobines:

    Perte de charge dans un tuyau: = coefficient de perte de charge = masse volumique du fluide [kg / m3] ici 1000 pour leau

    o V = vitesse d'coulement [m/s]

    L = longueur de la tuyauterie [m]

    d = diamtre de la tuyauterie [m]

    vitesse d'coulement : La dtermination prcise de est itrative et dpend de la rugosit du matriau

    Un formule simplifi, valable pour un tuyau de cuivre et de leau proche de 60C est

    ]/[..2

    ... 22

    mNdg

    LVp

    =

    L

    pdgV

    . .

    .. . 2

    =

    14

    Un formule simplifi, valable pour un tuyau de cuivre et de leau proche de 60C est

    il faut cependant vrifier V< 5m/s (viter lusure) mais aussi Re > 2000 (rgime turbulent)

    Dbit

    On peut alors avoir llvation de temprature :

    , pour de leau :

    SVQ =

    ]/[ .18,4

    ][][

    3 scmQ

    WPC =

    ][]./[]../.[

    ][]/[

    ClkgCkgsWC

    WPslQ

    p =

    ).cos(/10*1.1,Re 26 ecinmatiquitvissmavecVd ==

    ][

    ][.][.6540]/[

    mmL

    barpmmdsmV

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  • 1-4 : Introduction/lments de mcanique et de thermique

    Circuit refroidissement : choix du conducteur/taille de la bobine

    Eau de-ionise, rsistivit leve 10 M/cm (GANIL).

    Pression leve (ex: 8 bars, 15 bars) Temprature sous lbullition

    (plutt 40-60).

    Parfois de trs nombreux circuits hydrauliques.

    15

    Design SPIRAL2/O.Delferriere CEA-IRFU/SIGMAPHI

    MH Stodel - Ecole des acclrateurs Bnodet 2016 Les lectro-aimants pour acclrateurs

  • 2 1 : Conception des aimants / outils

    calcul analytique prliminaire

    Valida