CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
自由电子激光装置中束流分配切割磁铁的研究与研制
赵荣杰
Subtype博士
Thesis Advisor王东
2020-07-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword自由电子激光 束流分配系统 Lambertson磁铁 磁场均匀性 漏场整形
Abstract作为目前最先进的第四代光源,自由电子激光(FEL)具有超短脉冲、超高亮度、空间全相干等更优异的特性,为生命、医药、化学、材料、能源等领域带来了全新的发展机遇,并将促进这些领域的极大发展。未来,自由电子激光将朝着高重复频率、短波长、脉冲可控等方向发展,自由电子激光装置也将实行多波荡器线同时运行,以产生多种模式、多种性能参数的自由电子激光,满足更广泛的用户同时用光的需求。与环形同步辐射光源不同,自由电子激光使用直线加速器来产生高品质的电子束,这就在很大程度上限制了它的用户容量,所以为提高自由电子激光装置的运行效率,必须进行束流分配系统的研究和设计。目前世界范围内大部分的自由电子激光装置都根据各自的装置参数以及实验需求设计了自己独特的束流分配系统。目前在建的上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)未来也将实行多束线同时运行,也进行了自己的束流分配系统的设计。在束流分配系统的设计中,选择用冲击磁铁(kicker)与切割磁铁(septum)组合的方式,冲击磁铁对电子束进行小角度的垂直偏转,之后再利用切割磁铁对束流进行大角度的水平偏转,实现束流分离,然后束流进入到各条波荡器线。本论文中首先对用于SHINE装置束流分配系统的Lambertson型切割磁铁进行了详细设计。针对SHINE装置束流分配段的整体要求,提出了对Lambertson磁铁的总体设计指标,之后进行了磁芯选材,并在考虑实际的磁铁设计以及工程应用的基础上,对磁铁的各尺寸参数以及励磁线圈中的电流大小进行了设计和优化。为了提高Lambertson磁铁好场区内的磁场均匀性,采用在磁铁极头边缘加垫片的方法。通过优化垫片尺寸并且经过模型的模拟验证,成功将Lambertson磁铁好场区内的磁场均匀性进行了很大提高,达到了设计指标。在Lambertson磁铁的整体设计中,为了降低无场区内的漏场,将无场区所在极头在磁铁两端进行了加长,并且在磁铁的两端设计了屏蔽板进行屏蔽处理。通过高精度的三维模型的模拟发现,采用极头加长与磁铁端部屏蔽相结合的方法,有效降低了Lambertson磁铁无场区内的积分漏场,满足了设计要求。同时,在Lambertson磁铁完整的物理设计的基础上,对磁铁其它配套系统进行了设计,并完成了磁铁部件的加工和组装,也搭建了实验系统对磁铁的各指标参数进行了实际测量。最后给出了完整的Lambertson磁铁的设计参数,为Lambertson磁铁在SHINE装置上的应用奠定了基础。在本论文中同时对Lambertson型切割磁铁设计中的难点提出了创新性的解决方法。为了提高Lambertson磁铁好场区内的磁场均匀性,我们采用对称补偿的思想,提出了在无场区对立极头加孔的方法。通过高精度模拟验证得出,当所加两孔的尺寸、间距以及距好场区的深度满足一定的参数关系时,能够有效提高Lambertson磁铁好场区内的磁场均匀性。这是首次提出的具有确定参数关系的用于提高Lambertson磁铁好场区内磁场均匀性的方法。同时针对Lambertson磁铁设计中最大的设计难点—无场区内漏场的降低问题,我们创造性地提出了将Lambertson磁铁与四极磁铁的设计相结合,并首次提出了“磁场整形”的概念。通过在无场区内添加通电线圈,将Lambertson磁铁无场区内的漏场“整形”为一个四极场,此时四极场磁中心处的初始漏场降低为零,并且通过调节线圈中的电流可以实现零磁场区域的移动,具有很大的灵活性。这是首次提出的能够将Lambertson型切割磁铁无场区内的漏场真正降低为零的方法,并且此方法的附加成本很小,具有极大的应用价值。
Pages128
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32447
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
赵荣杰. 自由电子激光装置中束流分配切割磁铁的研究与研制[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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