Développement d’onduleurs cryogéniques à l’ESRF et SOLEIL
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Développement d’onduleurs cryogéniques à l’ESRF et SOLEIL. ESRF J. Chavanne P. Elleaume G. Le Bec C. Penel F. Revol SOLEIL C. Benabderrahmane P. Berteaud M.E Couprie D. Zerbib J.L Marlats K. Tavakoli. C. Kitegi Thèse à l’ESRF puis Post-Doctorat à SOLEIL. 1.

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Presentation Transcript

Développement d’onduleurs cryogéniques à l’ESRF et SOLEIL

ESRF

J. Chavanne

P. Elleaume

G. Le Bec

C. Penel

F. Revol

SOLEIL

C. Benabderrahmane

P. Berteaud

M.E Couprie

D. Zerbib

J.L Marlats

K. Tavakoli

C. Kitegi

Thèse à l’ESRF puis Post-Doctorat à SOLEIL

1


Onduleurs faible p riode fort champ
Onduleurs à faible période/fort champ SOLEIL

  • Avantage:

  • Décalage à K constant du spectre vers les hautes énergies.

  • Augmentation de l’intensité spectrale:

    Nécessité:

  • Fermeture du gap

  • Développement des onduleurs sous vide IVUs

    (le faisceau d’e- limite le gap minimum)

2


Onduleurs sous vide ivu
Onduleurs sous vide (IVU) SOLEIL

Onduleur PPM

Onduleur Hybride

Colonnette

Aimant

Poutres

Soufflet

Fer doux

Amplitude du champ [ T ]

Chambre à vide

Circuit de refroidissement

Pour un faible rapport Entrefer/l0 les onduleurs hybrides produisent un champ plus fort que les onduleurs PPM

Entrefer/l0


Mat riaux magn tiques pour les ivus
Matériaux magnétiques pour les IVUs SOLEIL

  • GeV e-, , N: environnement extrême pour les aimants dans un IVU

  • Risque de désaimantation pour de faibles valeurs de gap.

  • Sélection d’aimants avec une importante résistance à la désaimantation.

  • Pour un matériau donné la résistance augmente avec la coercivité.

  • Sm2Co17

  • Forte résistance à la désaimantation

  • Champ rémanent limité à 1.05 T

  • Nd2Fe14B

  • Fort champ rémanent (jusqu’à 1.4T)

  • Faible résistance à la désaimantation

  • Loi H(Br) basée sur des données constructeurs

  • 0H= 9.08 -5.77xBr (J. Chavanne EPAC02)

  • Pr2Fe14B

  • Pas d’offre de constructeurs

  • Mais …

Aimants Nd2Fe14B résistant à

GeV e-, g, N

Aimants Nd2Fe14B compatibles à l’étuvage à 400K

Champ coercitif µ0Hj [ T ]

Rémanence Br[T]

4


Un onduleur petite p riode fort champ aimants permanents refroidis temp rature cryog nique
Un onduleur petite période fort champ à aimants permanents refroidis à température cryogénique?

Refroidir les aimants permanents permet d’augmenter leur coercivité et leur rémanence

T. Hara, APAC 2004

Nd2Fe14B

Pr2Fe14B

Hc[ kA/m ]

Coercivité µ0Hc[ T ]

Nd2Fe14B

Nd2Fe14B

Nd2Fe14B

Nd2Fe14B

Pr2Fe14B

Rémanence Br[ T ]

Nd2Fe14B

Température [ K ]

Nd2Fe14B

Sm2Co17

Température [ K ]

A basse température résistance aimants Nd2Fe14B ~ aimants Sm2Co17 (T. Bizen EPAC04)

A basse température on a de « nouveaux matériaux » magnétiques


Onduleurs cryog niques aimants permanents
Onduleurs cryogéniques à aimants permanents refroidis à température cryogénique?


Strat gie de d veloppement l esrf et soleil
Stratégie de développement à l’ESRF et SOLEIL refroidis à température cryogénique?

  • ESRF:

  • Développement en deux étapes

  • Réalisation à l’échelle 1:1 et installation sur l’anneau (2004)

    • Validation de la conception

    • Validation de la mesure magnétique sous vide

    • Installation en janvier 2008 sur une ligne R&D et étude de son comportement (vide, thermique) cf poster de G. Le Bec.

  • Réalisation d’un CPMU optimisé (2009)

    • Choix d’un matériau à haut Br/faible Hcj

    • Faible erreur de phase

    • Installation sur une ligne utilisateur

  • SOLEIL

  • Réalisation d’un prototype optimisé

  • Choix d’aimants à haut Br/faible Hcj basé sur des mesures systématiques de courbes d’aimantation pour différents aimants

    • 1ère conception avec Nd2Fe14B BH50 (EPAC08)

    • 2nde proposition de conception avec Pr2Fe14B (SRI09)

  • Etude magnétique et thermique sur un petit prototype

  • Faible erreur de phase

  • Installation sur l’anneau


Mod le num rique du cpmu
Modèle numérique du CPMU refroidis à température cryogénique?

Géométrie

Modèle RADIA:

  • Description des aimants utilise des courbes d’aimantation expérimentales mesurées au Laboratoire Louis Néel

  • Description des pôles indépendante de la température

  • Modèle RADIA permet de:

  • Calculer la variation du champ crête avec la température

  • Déterminer les effets d’intégrales systématiques aux extrémités

  • Calcul du point de fonctionnement des aimants

8

Tem


Variation avec la temp rature du champ bz et de l int grale de champ bz
Variation avec la température du champ Bz et de l’intégrale de champ ∫Bz

Intégrale de champ Iz vs T

Intégrale Iz [Gm]

Hyb. ESRF

Température [K]

Résultats principaux du modèle:

  • B0 max(PrFeB)>B0max(NdFeB),

  • B0max(NdFeB) à T=150K alors que Br max à 120K

  • B0 presque constant sur un DT important (>30K)

  • Avec NdFeB augmentation de l’intégrale pour T<150K

  • La température d’opération:

  • avec NdFeB: 150K (cf. Poster G. Le bec)

  • Avec PrFeB: pas de contrainte (cf T. Tanabe, SRI09 )


Point de fonctionnement des aimants
Point de fonctionnement des aimants l’intégrale de champ ∫Bz

Entrefer =10mm

Point de fonctionnement

à 300K proche de la

désaimantation

Aimantation [T]

  • Réalisation d’un prototype

  • Étude de la désaimantation

  • Étude thermique

Champ interne [T]

Etude sur la désaimantation à faire


Le syst me cryog nique
Le système cryogénique l’intégrale de champ ∫Bz

Principe: Azote liquide sous pression circulant en boucle fermée et refroidi par un bain d’azote liquide à pression atmosphérique

Avantages

Système connu à l’ESRF, utilisé pour refroidir les monochromateurs (support et expertise en interne)

Adapté aux gros systèmes

Importante capacité frigorifique 2kW

Inconvénient

(T~80K) fixé par le bain d’azote liquide

Onduleur

Tcpmu

Boucle interne

P=2bar +Dp

T=Tsat

T≈80K

P[W]

Bain d’azote liquide

P=1bar, T=77K


Banc de mesures magn tiques i
Banc de mesures magnétiques I l’intégrale de champ ∫Bz

Mesure des 3 composantes de champs avec 3 sondes de Hall

Vitesse: 30mm/s – échantillonnage 0.1mm (durée scan <2min)

Banc ESRF (Réalisé)

  • Axe longitudinal motorisé

  • Motorisation dans l’air

  • Rail en 3 blocs

  • Chambre dédiée à la mesure

Banc SOLEIL (en cours de développement)

  • Axe longitudinal motorisé

  • Motorisation dans le vide

  • Rail en un seul bloc

  • Mesure dans la chambre finale

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Bancs de mesures magn tiques ii
Bancs de mesures magnétiques II l’intégrale de champ ∫Bz

Fil tendu:

  • Pas de motorisation dans le vide

  • La tension du fil est assurée par des poids

Fil Tendu

Translation verticale ±5mm

Translation horizontale ±25mm

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R sultats des mesures magn tiques basse temp rature evolution du champ bz
Résultats des mesures magnétiques à basse température: Evolution du champ Bz

  • Variation du champ crête avec la température

  • Comportement similaire au modèle RADIA

  • Maximum de champ à T=148K

  • Variation du champ crête <0.5% entre 135K et 180K

Champ crête [T]

Température [K]

Modèle RADIA

Mesure

Entrefer =6mm


R sultats des mesures magn tiques basse temp rature int grale de champ
Résultats des mesures magnétiques à basse température: intégrale de champ

  • Le changement de perméabilité dans les aimants induit des intégrales de champ (effet d’extrémité):

  • Comportement similaire au modèle RADIA

  • Peu d’effet sur l’intégrale de champ horizontal

Trajectoire horizontale:

300K 120K

Trajectoire verticale:

300K 120K

Entrefer =6mm

Mesure

Modèle RADIA

Entrefer =6mm

Intégrale/extrémité [Gm]

Trajectoire [µm]

Température [K]

Position longitudinale [m]

Effet d’extrémité visible sur la trajectoire


Evolution des erreurs magn tiques basse temp rature mesure de l erreur de phase
Evolution des erreurs magnétiques à basse température: mesure de l’erreur de phase

  • Erreur de phase

  • Augmentation de l’erreur de phase à basse température

  • ~ 1° entre 300 K et 150 K

  • ~ 6° entre 150 K et 120 K

Entrefer =6mm

Variation de

Température DT

Gradient thermique le long des poutres

  • Modèle

    +Mesure

  • Résulte du gradient longitudinal de température:

  • - Déformation de l’entrefer

  • - Changement local des propriétés des aimants

  • L’augmentation de l’erreur de phase est acceptable pour cet onduleur. Un plus faible gradient est nécessaire pour obtenir un onduleur avec une faible erreur de phase.

Variation de température DT [K]

Erreur de phase [°]

Température [K]

Température [K]


R sum des mesures
Résumé des mesures mesure de l’erreur de phase

  • Bonne concordance entre le modèle RADIA et les mesures

  • Pas d’erreur locale

  • Effet globaux un gradient thermique le long des poutres

  • Correction à température ambiante valable à basse température

    • gradient longitudinal de température incompatible avec une erreur de phase <2.5°

  • Encore des optimisations possibles:

    • choix des matériaux

    • banc de mesure sous vide

    • Intégration d’un contrôle d’entrefer différentiel

    • pour compenser un gradient thermique


Conclusion et perspectives
Conclusion et perspectives mesure de l’erreur de phase

  • Installation sur ID06 en Janvier 08 (C.f. Poster de G. Le Bec)

  • Opération sur l’anneau OK

2009-2010: Réalisation de CPMU optimisé avec des aimants à fort Br (non étuvables).


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