L’onduleur Hélicoïdal Electromagnétique à Aimants

Permanents de SOLEIL(Electromagnetic Permanent Magnet Helical Undulator)

F. Marteau, D. Aballea,Y.M. Abiven, P. Berteaud, F. Blache, F. Bouvet, L. Chapuis, F. Choueikani, T. Elajjouri, A. Mary, N. Leclercq, P. Ohresser, E. Otero, K. Tavakoli, M.E. Couprie

Introduction

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 2P. Berteaud

• Onduleur → Système qui crée un champ magnétique périodique, produisant de la lumière quand un faisceau d’électrons le traverse.

Onduleur HU52 Lucia

Photons(Polarisation horizontale)

Champ magnétique périodique vertical

Electrons

Principe du rayonnement synchrotrondans un système magnétique

Z

X

S𝜆r

Période de l’onduleur

Facteur de déflection de l’onduleur

Paramètres de la machine

Contraintes côté machine: Contraintes côté ligne de lumière:

𝐼 1 𝑧(𝑥 ,𝑧)=∫−∞

+∞

𝐵 𝑧 (𝑠 ,𝑥 ,𝑧 )𝑑𝑠

𝐼 2 𝑧 (𝑥 , 𝑧)=∫−∞

+∞

(∫−∞

𝑠

𝐵 𝑧 (𝑢 ,𝑥 ,𝑧 )𝑑𝑢)𝑑𝑠→ énergie, brillance, stabilité en position

• L’installation d’un onduleur implique donc:

Longueur d’onde

Descriptions

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 3P. Berteaud

• L’onduleur Hélicoïdal HU65 EMPHU:

Machine Ligne de lumière DEIMOS

HU65 EMPHU HU52 installé

Intégrale première

± 0,2 G.mFondamental 350 eV min

Basculement <100 ms 10 s

Intégrale seconde

± 1G.m2 Reproductibilité de position

±5 %*

Cahier des charges HU65 EMPHU

* De la taille du spot → exemple: ±25 µm sur un spot de 500 µm.

- H1(Bz) = H1(Bx) déphasé de → polarisation circulaire des photons émis.

- H1(-Bz) = H1(Bx) déphasé de → polarisation circulaire opposée des photons.

𝜋4𝜋4

Onduleur

Système magnétique HU65 EMPHU

Z

X

S

Bz

Bx

• Caractéristiques:- 26 Périodes de 65 mm.- Champ Bx → aimants NdFeB:

H1(Bx) = 0,24 T @ Entrefer = 14,7 mm- Champ Bz → pôles acier-silicium (tôle à transfo)

et bobines Cu:

H1(Bz) = ±0,24 T @ Entrefer = 14,7 mm / ±350 A

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 4P. Berteaud

Entrefer

Z

S

X

Mise en série

I (A)

Feuille Cu N°1

Feuille Cu N°2

Champ vertical Bz

• Constitution et principe des bobines de champ vertical:

Champ vertical

Assemblage EMPHU

Principe des bobines EMPHUCoupe transverse

- 32 feuilles Cu de 1,5 mm découpées au jet d’eau.

- 9 plaques de refroidissement Cu de 2,5 mm.

- Feuilles d’isolation en Kapton de 40 µm.

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 5P. Berteaud

Pôle

Circuit 21°C

Kapton

Feuilles Cu

Plaquesde

refroidissement

Z

SX

ZS

X

Alimentations

• Alimentations à commutation rapide:

Baie principaleHU65 EMPHU

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 6P. Berteaud

- Toutes développées et assemblées à SOLEIL par le Groupe Alimentation.

- Electronique rapide capable de basculer en 100 ms.

- 1 alimentation principale ±350 A.- 8 alimentations de corrections.

- Entrée analogique ou numérique (Profibus).

- SPIcontrôleur développé par le Groupe Electronique Contrôle et Acquisition

→ synchronisation analogique (~2µs) - L’ensemble complet est piloté via le

système de contrôle TANGO.Baie de contrôle et correctionHU65 EMPHU

SPIcontrôleur

CPCI

Alimentationsde corrections

Alimentationprincipale

Echauffement

• Mesures Thermiques:- 18 sondes de température en Platine (PT100) sur chaque

plaque de refroidissement (centre de l’onduleur).- 6 sondes dans les endroits stratégiques pour les mesures

(aimants, poutres et circuit d’eau).

≈ 40 min

PT100 EMPHU

Câblage PT100

Δp = 8,4 BarDébit = 38,4 l/min

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 7P. Berteaud

Sécurités & Alarme

• Trois systèmes de sécurité:

- Thermique: 18 vigithermes en série sur les circuits de refroidissement des bobines.

- Hydraulique: 1 débitmètre au niveau de la sortie générale.

- Air: 2 contacts d’alarme au niveau des moteurs d’aspiration.

Circuit Vigithermes

Circuit d’aspirationCircuit de refroidissement

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 8P. Berteaud

Correcteurs• Deux types de correcteurs pour le champ vertical:

- Internes en opposition:

IP1/IP50 → position de sortie du faisceau d’électrons de l’onduleur.

HUE/HUS → direction d’émission du faisceau de photons.- Externes:

CHE, CVE → intégrales résiduelles des champs verticaux et horizontaux.

CHS, CVS

CHE

CVE

HUE IP1

Système de corrections

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 9P. Berteaud

HUSIP50

CHS

CVS

Hystérésis & corrections

• Cyclage et corrections champ horizontal:

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 10P. Berteaud

- Le résidu d’intégrale de champ vertical à 0 A est faible ≈ -30 G.cm- Sa reproductibilité est de 3 G.cm, donc l’hystérésis est très faible.

IBP(A)

Intégrale Iz0

à X = 0 mm(G.m)

350 -1,33

0 -0,34

-350 +1,02

0 -0,31

ΔIz0 (@0A) (G.m) 0,03

Mesures d’Hystérésis

- 6 cycles à I = ±350A avec les correcteurs intégrés IP1/IP50 = ±22 A.

- Les intégrales de champs générées par les aimants permanents sont corrigées mécaniquement à I = 0 A.

Mesures statiques

• Points de fonctionnement:

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 11P. Berteaud

ΔB = 39 Gauss représente 1,5% → taux de polarisation >99%

- Pour différents entrefers (14,7 → 50 mm):

Réglage du courant principal pour avoir H1(Bz) = H1(Bx)

→ Champ hélicoïdal ce qui définit les points de fonctionnement statique.

Correction de la trajectoire avec les courants IP1/IP50.

I = +350 AIP1 = +8,68 AIHUE = +8,42 A

I = -350 AIP1 = -9,93 AIHUE = -5,18 A

Calcul SRW à I = +350A

Axe S (m)

Tra

ject

oire

hor

izon

tale

(µ

m)

Mesures statiques

• Réglage de la direction d’émission:- Celle-ci est prise en compte pour la correction avec

les courants HU.- Les calculs des profils transverses de rayonnement à

350 eV à partir des champs mesurés pour un électron montrent des différences de pointé horizontal et vertical nulles (Surface de flux 0.2mm x 0.2mm à 13 m).

Calcul SRW à I = -350A

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 12P. Berteaud

Δ dir_X = 1 µRad sur une émission = 30 µRad → 3,3%

La tolérance maximum est de 5%

Mesures statiques

• Exemple de Table Statique:

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 13P. Berteaud

Courants

Efficacités des correcteurs internes

Angles calculés CHE/CHS & CVE/CVS

Champs magnétiques

Paramètres du spectre

Paramètres des directions d’émission

Mesures dynamiques

• Système de mesures:

Mesures dynamiques HU65 EMPHU

- Les transitions rapides induisent des courants de Foucault dans la chambre à vide.- Il faut les compenser afin de ne pas perturber le faisceau d’électrons.- Cela nécessite donc une correction dépendante du temps.

- Installation d’une chambre à vide SOLEIL.- Installation des correcteurs externes.- Mesures d’intégrales → bobine de flux

(fils de Litz).- Mesures de positions de sortie verticale et

horizontale → la méthode « Twisted Coil ».

- HUE/HUS → pas de correction de la direction d’émission lors du basculement (linéaire).

IP1

CVS

IP50

HUS HUE

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 14P. Berteaud

CVE

Mesures dynamiques

• Correction dynamique de la position horizontale de sortie:

- La position de sortie est corrigée à ±2 µm après la troisième itération (Tolérance ±3µm).- La correction de l’intégrale de champ s’effectue de la même manière avec les

correcteurs CHE/CHS avant la correction de la trajectoire car la méthode « Twisted coil » ne fonctionne que pour une intégrale nulle .

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 15P. Berteaud

→It0 avec la dernière forme de courant IP du gap précédent.

- Correction itérative d’après la réponse impulsionnelle du système (1A / 1ms).

- Méthode des moindres carrés pour les problèmes linéaires (Matlab).

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 16P. Berteaud

Conclusion

• Mesure sur la ligne de lumière Deimos:- Une première mesure de Dichroïsme a été réalisée

sur un échantillon de Cobalt.- Les résultats montrent que HU65 EMPHU

fonctionne bien et est aussi performant que l’onduleur AppleII HU52 (plus rapide).

HU65 EMPHU dans l’anneau de stockage

770 780 790 800 810 820 830 840

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

1.0

1.5

2.0

2.5Co measured in transmission (H=2 T / T=4.5 K)

XAS + XAS - XMCD with EMPHU-65 XMCD with HU-52

XA

S (

arb.

uni

ts)

Energy (eV)

- Le signal de dichroïsme du cobalt étant élevé, cette mesure ne permet pas encore de qualifier complètement l’onduleur HU65 EMPHU.

- Mais d’autres mesures viendront afin de pousser cet onduleur à 100% de ses capacités…

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 17P. Berteaud

Merci de votre attention…

Annexe

• Méthode de correction:- Pour différents gap entre 14,7 et 35 mm, nous

mesurons l’effet d’une impulsion de courant (1A/1ms) sur chaque correcteur.

- Ces signatures sont intégrées à Matlab dans une matrice de réponses « [A] »

- Nous utilisons la méthode des moindres carrés pour les problèmes linéaires: X.[A] = b

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 18P. Berteaud

- Après avoir mesuré les défauts des transitions « D », Matlab calcul une forme de vecteur courant « x » pour minimiser la quantité ∑(b-D)2

. =

Vecteur réponse b Vecteur courant IP X

[A]