Les systèmes magnétiques pulsés de SOLEIL

1. Les systèmes magnétiques pulsés de SOLEIL • 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. 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 physiciens • Accélérateurs.

2. Cahier des charges des Systèmes Magnétiques Pulsés Spécification Physique machine 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 • 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 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 monté • malgré empilement pièces, et utilisation isolants plastique • Ventilation forcée distribuée tout le long chambre céramique • par buse pliée-soudée • Collaboration étroite entre BE et Alims-Aimants Pulsés • pour ajuster exigences et possibilités fabrication • Pulser 8 kV 5500 A : • - Switch HT basé sur 3 modules d’IGBTen // • 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 • 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 pulses identité entre 4 kickers ~ qqs 10-3du champ crête

7. Les aimants à septum passif (à courants de Foucault) - 1 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 Entrée • Aimants sous vide : • Matériaux Ultra-vide cuivre OFHC, inox 316 LN • Traversées ultra-vide alumine • pour 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 Sortie

8. Les aimants à septum passif (courants de Foucault) - 2 Champ de fuite initial, et évolution 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 fuite • spécialement 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 principal Champ de fuite final mesuré

9. Les septum actif (“direct-drive”) : fonction de pré-septum Dans l’entrefer : homogénéité transverse du champ = +/- 5 10-3 • 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 • Hors du gap, zone du faisceau circulant ou stocké : • exigence d’un faible champ de fuite • spécialement 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.

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. Aimant Kicker H (similaire aux kickers injection) Aimant Kicker V (étude spécifique) 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 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 W Circuits avec PFL (formeur à câbles coax) sur charge inductive compensée Ipeak = Ucharge/ Zc Mais beaucoup plus decourant : Kem H : 1400 A / 19 kV Kem 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. Switch 25 kV – 2700 A basé sur transistors MOS rapides Mis en parallèle et en série

12. En résumé Les compétences et l’expérience disponibles dans le groupe dans le domaine des Aimants et Alimentations Pulsés couvrent : • La conception complète des Systèmes magnétiques pulsés : • Chambre à vide, Aimant, Alimentation pulsé Etudes avec BE et Vide • 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) • 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 • Projets nouveaux : • Collaboration avec le synchrotron SESAME, • Transfert de connaissances vers la société SIGMAPHI (en cours de définition).