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中国科学院高能物理研究所加速器中心电源组注入引出技术第二讲：切割磁铁和冲击磁铁陈锦晖2015年3月10日@ihep.ac.cn2of57课程内容第一讲：注入引出的物理机制和主要方式第二讲：切割磁铁和冲击磁铁第三讲：高压大电流快脉冲电源3of57本讲提纲切割磁铁和冲击磁铁是注入引出系统中两个最主要的部件，分别承担着不可替代的作用。本讲将从切割磁铁和冲击磁铁的主要技术要求和特点出发，详细介绍这两种特种磁铁常见的类型和基本结构。值得注意的是，在实际工程设计中，冲击磁铁及其脉冲驱动电源（第三讲）必须统一起来考虑，称之为冲击磁铁系统。因此，本讲这部分内容将会和第三讲的内容穿插起来，但会有侧重点。4of57第一部分：切割磁铁（septum）系统•切割磁铁是位于束流输运线和环形加速器交叉衔接处的一组特种磁铁，用于偏转注入束，尽可能减少注入束轨道和平衡轨道的夹角。•切割磁铁既要产生很强的磁场来偏转注入束，又不能影响在它旁边擦肩而过的循环束流。因此，“切割”二字的含义可以理解为将空间切割成两半，一边是由它建立的强场区，用于偏转注入束,而另一边必须是无场区，以免影响在那里通过的循环束流。•同时切割板的厚度必须尽可能的薄。为了让注入束尽可能地贴近环形机器的平衡轨道,通常切割磁铁要置放在高真空中，因此除电磁性能和机械结构的特殊要求外，还必须满足真空性能的要求。5of57切割磁铁的分类•按照切割板的薄厚分–厚切割磁铁（体积大，偏转场强）–薄切割磁铁（体积小，偏转场弱）•按照切割板的材料分–铜切割磁铁（导流板型、涡流板型）–铁切割磁铁（Lambertson铁）注意：切割板是真实存在的一块“板”或“壁”，它是切割铁主场区和漏场区的分界线7of57导流板型切割磁铁•顾名思义，导流板型切割磁铁励磁电流是从切割板流过的。•重点介绍：–导流板型切割磁铁是如何降低漏场？–影响漏场有哪些因素？–导流板型切割铁结构、材料、工艺有什么特点？8of57同轴穿墙件馈电端冷却水励磁脉冲注入束线圈内侧线圈外侧（切割板）切割板紧固挡板铁芯支撑架9of57导流板型切割磁铁是如何降低漏场铁芯导流板（线包）显然这种类似于二极磁铁的励磁结构，磁间隙外有很大的漏场，是无法满足切割磁铁要求的。15of57铁中理想的导流板型切割铁：•铁芯磁导率μ无穷大(B=μH)•导流板和铁芯无间隙•导流板中冷却水道安培环路定律:16of57切割铁的基本要求——漏场小：•线圈外侧(切割板)嵌入磁间隙中，上下表面与铁芯应当是滑配合，间隙尽可能小；•滑配造成铁芯和切割板存在电连接–铁芯应与真空箱绝缘隔离–约1%的励磁电流将流经铁芯（铁芯叠片彼此绝缘，切割板与铁芯接触点小）•线圈内侧与铁芯绝缘良好。绝缘良好滑配19of57励磁线圈要承受很大的电磁力：压强=磁间隙的磁场密度P=4B²(T.kg/cm2)例：长1m，高30mm的切割板，在B=1T情况下，受到1.2吨的排斥力•线圈需要固定，且固定件和线圈绝缘•励磁线圈随温度变化而伸缩，造成与固定件之间的摩擦，由于接触面压强大，因此摩擦力很大，材料必须耐磨•切割板在电磁力作用下的形变–支撑点在上下边缘–脉冲激励情况下，要产生振动–设计时，力学定量分析是必要的导流板的定位支撑与减震20of57电流密度与冷却方式•电流密度:J=B/μ0d磁感应强度B和切割板厚度d定下来，再考虑到冷却孔徑，电流密度也就定了例：B=1T，d＝2mm，电流密度=400A/mm2，从发热、温升、及冷却角度看，无论如何是不可以的；通常取100A/mm2左右比较合理。•过高的温升后果：过度膨胀、绝缘介质老化、出气、焊接处应变•冷却方式：–边缘冷却（热阻大，效果差，多用于1-2mm薄切割铁·）–内孔冷却（冷却效果好，允许较大电流密度100A/mm2）外方内圆铜线排焊21of57放射性辐射剂量高：辐射会造成绝缘介质性能变坏，耐磨性减退5.要满足高真空要求：整个切割铁置于真空箱•高真空度：10-7～10-8Torr（储存环要求10-9～10-10Torr）•全部材料要求出气率低，耐烘烤•叠片铁芯设计，要考虑铁芯总出气面积大，表面绝缘处理及清洗工艺要求高•冷却水入真空箱，必须保证水管焊缝不能留在真空箱内，水、电接头穿墙件必须满足高真空要求6.励磁方式：选择脉冲励磁，可以有效降低线圈欧姆损耗，降低温升，提高电流密度；但是脉冲激励下，又必须考虑铁芯的涡流损耗，和线圈耐压和趋肤效应。7.剩磁的影响：励磁脉冲电流是单向的，剩磁对束流的影响不可忽视，必须进行剩磁矫正22of57导流板型切割磁铁成功设计经验•铁芯磁性材料：高导磁率，低涡流损耗–铁芯为C型，由硅钢片叠装组成。片数多达几千片，放入真空中，出气面积很大。为减少出气从硅片的加工工艺到表面绝缘涂层都必须有严格的工艺规范。–长脉冲励磁情况下可采用厚的铁片(1.5mm)，含碳0.03％，矫顽力低于0.5Oe。表面绝缘可采用空气中氧化的办法获得。–短脉冲可考虑采用超微晶或非晶材料23of57导流板型切割磁铁成功设计经验•线圈（切割板）铜材与制作–励磁电流通常是几千乃至上万安培，励磁导体电流密度很高，热损耗上千瓦，必采用水冷。–切割板材料：无氧铜，纯度高于99.99％，导电率指标IACS为100％。纯度不高，易裂。–线圈制作：外方内圆的无氧铜管排焊而成外方边宽等于切割板厚度（如若是单匝），内圆作为冷却水通路。真空银焊：在氩氖混合气体保护下，785℃的炉中进行。线圈端部成型要在氩气保护之下，用欧姆热快速退火，弯曲成型。水路并联电路串联24of57导流板型切割磁铁成功设计经验•绝缘材料–切割磁铁多处需要绝缘：如内导体与铁芯之间，切割板与其固定压板之间等等。–材料要求耐磨，并且在大剂量长期辐照下，耐磨性能不减退。–绝缘材料不宜采用有机材料，至少不全是有机材料：–高铝瓷(Al2O3)：用等离子喷涂的办法，在金属表面生成60μm－0.3mm厚度不同的Al2O3绝缘膜。–某些环氧或聚酰亚胺：抗辐射性能还可以，如用玻璃纤维加23％的聚酰亚胺作填充物。这种材料容易成型，可以作成所需形状的绝缘壳。•薄与厚切割磁铁组合式结构–切割板越薄越难做–可将切割磁铁做成切割板薄厚不等的多块切割磁铁。–沿注入束前进方向，切割板由厚变薄。在注入点的最后一块切割板最薄。比如说分成三块，切割板厚度可以是24mm，12mm，4mm。厚切割板可以做成多匝，磁场可以更强，分担更大的偏角，减轻薄切割磁铁的难度。25of57涡流板型切割磁铁•涡流板型切割磁铁：是利用切割板的涡流屏蔽效应达到抑制漏场的目的•因此，涡流板型切割铁一定是脉冲激励•切割板没有励磁电流流过，因此没有导流板型切割磁铁那么复杂，比较适合于薄切割铁•近十年才发展起来的一种新型磁铁•无论是理论上还是技术实践方面都有些尚待解决的问题26of57涡流板型切割磁铁•励磁绕组是绕在磁间隙与磁轭背后。切割板即涡流板并没有励磁电流流过。•切割板的厚度=屏蔽板+储存环真空盒壁厚例如：上海光源预研的切割磁铁，切割板厚度2.5mm，采取复合屏蔽（铜1.7mm铁0.8mm）漏场小于0.1％。叠片磁芯励磁绕组储存环真空盒注入束真空盒Cu涡流屏蔽板冷却水路磁屏蔽（铁真空盒）27of57涡流屏蔽和趋肤深度•涡流屏蔽：u=-dФ/dt=-SdB/dt•趋肤深度：28of57涡流板（切割板）厚度对漏场的影响30of57全正弦脉冲对漏场的影响•漏场延迟特性（取决于涡流衰减常数）31of57型切割磁铁•发明者：Lambertson•铁切割器：切割板是“铁”•特点：只适用于作垂直偏转，即注入束是从环形加速器水平面下方（或上方）经输运线传送过来，更容易在水平方向靠近环的平衡轨道，但一定与水平面存在一个夹角。•优点：最简单、最经济、最可靠的切割磁铁32of57型切割磁铁结构•Lambertson铁的技术指标：–漏磁场要小(一般1‰~5‰)–主场区磁场要足够强，好场区足够宽•减小漏场基本措施：–选用导磁率高的磁性材料–采用图示对称结构，并且在可能的情况下增大θ角。–可采用直流励磁，所以磁芯可采用整块铁，材料可选用导磁率高的电工纯铁(含碳量0.025﹪)。–BEPC上就采用了不对称结构，引入磁分路等附加措施，同样达到漏场为1‰的指标要求。33of57第二部分：冲击磁铁（kicker）系统•冲击磁铁是产生快脉冲磁场的装置。•在单次注入的情况下，冲击磁铁的作用是,当注入束进入到环形机器后，第一次与平衡轨道交叉的一瞬间，使其偏转成与平衡轨道相切，落在机器接受度的中心位置。•在多次或多圈注入情况下，由分别安放在适当位置上的若干（2～4）块冲击磁铁共同作用，造成局部平衡轨道的凸起，使接受度移向注入束（即移向薄切割铁出口），将注入束包容在接受度之中。这个动作只发生在注入的一瞬间，要求脉冲磁场的建立和消失必须足够快（几十纳秒～几百纳秒）。•冲击磁铁系统：包括脉冲磁铁和脉冲电源，是一个高压、大电流、快脉冲技术综合体,同时又是真空、电磁、机械为一体的特种设备；磁铁或是电源的负载（电感），或是电源不可分割的一部分（谐振元件或匹配传输线）。34of57冲击磁铁系统分类•按照脉冲波形分（时间分布，主要由脉冲源决定）–半正弦：半正弦波脉冲源+冲击磁铁–梯形波：软管+矩形脉冲的形成网络（线）+冲击磁铁，硬管(固态)+储能电容+冲击磁铁•按照线圈结构参数形式分–集中参数：空心线圈、铁氧体窗框、开缝导流管型(slotted-pipe)–分布参数：延迟线型（人工线）、传输线型（strip-line）•按kicker场的极数分（空间分布）–脉冲二极铁–脉冲多极铁（六极、八极）35of57冲击磁铁的共同点•冲击磁铁是一种快脉冲电磁设备（ns～μs）•快脉冲磁场会因为涡流屏蔽