陶瓷真空室研制及其阻抗的研究
介紹了電子儲存環(huán)注入凸軌沖擊磁鐵及其真空室常采用的幾種技術(shù)方案。合肥電子儲存環(huán)新凸軌注入系統選擇了鐵氧體磁鐵內置陶瓷真空室的方式。為了同時(shí)滿(mǎn)足脈沖磁場(chǎng)穿透性能及束流耦合阻抗的要求,陶瓷真空室的內壁須鍍1 層金屬薄膜。對已制備的鍍膜和無(wú)鍍膜陶瓷真空室尾場(chǎng)函數及損失因子進(jìn)行了測量,并對結果進(jìn)行了擬合計算,得到陶瓷真空室寬帶阻抗模型的有關(guān)參數。結合已進(jìn)行的脈沖磁場(chǎng)穿透性能的結果,確立了改進(jìn)的鍍膜參數。
根據不同的應用,電子儲存環(huán)的注入凸軌沖擊磁鐵及真空室有幾種技術(shù)方案。傳統的作法是采用空氣芯線(xiàn)圈,在不銹鋼超高真空室內放置單匝電流板線(xiàn)圈,以產(chǎn)生所需要的脈沖磁場(chǎng)。但這種方式勵磁效率低,體積大,真空室結構不連續,相對于其他真空管道的損失阻抗較大 。Dortmunt 大學(xué)研究人員為1.5 GeV 儲存環(huán)DEL TA 設計了1 種新的縫隙型結構,它中間的兩條金屬板離束流較近,通過(guò)大部分鏡像壁電流。這種結構的特點(diǎn)是耦合阻抗低,損失因子比普通空氣芯磁鐵小至少一個(gè)量級,且結構簡(jiǎn)單,易于實(shí)現。SLAC 也準備在NLC(next linear collider) 的2 種阻尼環(huán)(damping ring) 中采用這種結構。這種結構的缺點(diǎn)仍是勵磁效率不高,要獲得較大寬度的好場(chǎng)區,場(chǎng)形設計難度較大。
在第3 代同步輻射光源儲存環(huán)中廣泛采用了鐵氧體磁鐵內置陶瓷真空室的方式 。使用陶瓷真空室的原因是使脈沖磁場(chǎng)能夠穿透真空室壁,避免渦流損耗及磁場(chǎng)波形畸變。陶瓷真空室內壁須鍍1 層很薄的金屬膜,以維持壁電流的連續性,從而減少束流耦合阻抗。因金屬膜會(huì )產(chǎn)生渦流損耗,因此,鍍膜不能太厚�？梢赃x擇非均勻鍍膜方式使鍍膜中具有一些絕緣條紋,這樣,既可減少渦流損耗及場(chǎng)畸變,又能維持較小的束流耦合阻抗。
合肥電子儲存環(huán)新凸軌注入系統項目中選擇了陶瓷真空室內壁鍍膜的技術(shù)方案,并進(jìn)行了陶瓷真空室金屬化焊接實(shí)驗及鍍膜實(shí)驗。對鍍膜造成的磁場(chǎng)損耗、波形畸變及均勻性變化等影響進(jìn)行了理論分析與實(shí)驗測量。本工作在此基礎上,對真空室的縱向耦合阻抗進(jìn)行測量,結合磁場(chǎng)的分析與實(shí)驗結果,確立進(jìn)一步改進(jìn)的鍍膜參數。
1、實(shí)驗方法
為了測量陶瓷真空室及其他真空管道的阻抗,采用電流模擬法,并建立了一縱向阻抗測量系統。該系統可自動(dòng)測量縱向尾場(chǎng)函數、能量損失因子、縱向阻抗,具有高斯電流脈沖寬度連續可調、精度高、定時(shí)準確等特點(diǎn)。
無(wú)鍍膜陶瓷真空室、鍍膜陶瓷真空室、內徑35 mm突變不銹鋼管道、無(wú)鍍膜陶瓷真空室外加導電鋁箔、鍍膜陶瓷真空室外加鐵氧體磁鐵和鍍膜陶瓷真空室外加導電鋁箔的形狀示于圖1。
圖1 測量的幾種真空室
a ———無(wú)鍍膜;b ———鍍膜;c ———內徑35 mm 突變不銹鋼管道;d ———無(wú)鍍膜外加導電鋁箔;e ———已鍍膜加磁鐵;f ———已鍍膜加導電鋁箔
待測的鍍膜陶瓷真空室兩端焊接有不銹鋼法蘭,內孔為跑道形,截面尺寸為80 mm ×24 mm ,總長(cháng)(包括兩端法蘭) 為350 mm。膜的方塊電阻約為1 Ω ,根據脈沖磁場(chǎng)穿透性能的要求,鍍膜具有一些絕緣條紋。在測量系統中,比較臂及測量臂的過(guò)渡段均為圓形( D=86 mm) ,在管子兩端為非平滑過(guò)渡,分別形成一內突變和一外突變結構。
2、測量結果及分析
2.1、無(wú)鍍膜和鍍膜的測量結果
無(wú)鍍膜和鍍膜2 種情況下的損失因子K 值曲線(xiàn)示于圖2 。圖2 (b) 是對應束團個(gè)數N =45 、存儲束流I = 300 mA 時(shí)的損失功率。采用了鍍膜陶瓷真空室的K 值及損失功率大約是未鍍膜真空室的1/ 5 。對應于σ= 100 ps ,鍍膜陶瓷真空室的K 值為0.14 TV/ C ,損失功率為61 W。
圖2 無(wú)鍍膜和鍍膜情況下的K 值曲線(xiàn)(a) 和損失功率(b)
●———未鍍膜; ○———鍍膜
2.2、其他幾種情況下的測量結果
測量件的兩端分別有一內突變和一外突變結構,它們對K 值有一定貢獻。為了確定單獨由鍍膜引起的K 值以及研究進(jìn)一步增加鍍膜厚度的必要性,選擇了2 種測量件,無(wú)鍍膜陶瓷真空室外加導電鋁箔及內徑為35 mm 的突變不銹鋼管道進(jìn)行比較。當外加導電鋁箔和陶瓷真空室兩端金屬法蘭電接觸良好時(shí),可以認為這種情況與同樣截面的不銹鋼管道阻抗基本一致。對內徑35 mm 突變不銹鋼管道的測量也是因為該管道突變結構和陶瓷管相類(lèi)似,故可以作為一個(gè)參考。鍍膜真空室、無(wú)鍍膜真空室外加導電鋁箔及內徑35 mm 突變不銹鋼管道的K值示于圖3 。
從圖3 可見(jiàn),對應于σ= 100 ps ,鍍膜真空室、未鍍膜真空室外加導電鋁箔及內徑35 mm突變不銹鋼管道的K 值分別為0.134 、0.091和0.063 TV/ C。因此,進(jìn)一步增加鍍膜厚度估計能夠使K 值進(jìn)一步減小, K 值大約能達到目前的1/2 。
真實(shí)情況下,鍍膜陶瓷真空室外均置有鐵氧體磁鐵。因此,應測量阻抗以確定鐵氧體磁鐵及勵磁電流板對阻抗有無(wú)影響。測量時(shí),將勵磁電流板的一端接地(和真實(shí)情況相同) 。結果表明:鍍膜陶瓷真空室外加導電鋁箔的K 值沒(méi)有變化,這是因為鍍膜屏蔽了電磁場(chǎng),因此,束流“看不到”鍍膜以外的導電層;外置鐵氧體磁鐵時(shí)的K 值也基本沒(méi)有變化。圖3 中K 值的差異在實(shí)驗的誤差范圍內,如由更換中心導線(xiàn)或波形定時(shí)等引起的誤差。
圖3 不同真空室的K 值曲線(xiàn)
□———鍍膜陶瓷真空室; ○———內徑35 mm 突變不銹鋼管道; △———無(wú)鍍膜陶瓷真空室外加導電鋁箔;●———鍍膜陶瓷真空室外加導電鋁箔;▲———鍍膜陶瓷真空室外加鐵氧體磁鐵
