Приборы и техника эксперимента, 2022, № 3, стр. 100-107

1. “БЕЗЖЕЛЕЗНЫЕ” УДАРНЫЕ МАГНИТЫ

1.1. Симметричная схема формирования поля

В ударных магнитах без ферромагнитных сердечников, в отличие от часто используемых систем – ферритовых кикеров с керамической вакуумной камерой [1], отклоняющее магнитное поле формируется посредством токонесущих проводников и проводящих экранов [2]. Один из наиболее простых вариантов такого магнита показан на рис. 1, где наглядно иллюстрируется характерная ситуация для ионного бустера, когда инжектируемый пучок заполняет весь акцептанс. Далее, в процессе ускорения пучок адиабатически затухает и к моменту выпуска имеет существенно меньший размер. И именно в таких условиях энергетическая эффективность “безжелезного” варианта магнита может быть сравнима или даже превышать эффективность традиционных вариантов. При этом может быть достигнута достаточно высокая однородность магнитного поля в рабочей области.

Рис. 1.

Схема формирования магнитного поля токонесущими проводниками.

1.2. Несимметричный кикер-магнит

При выводе пучков с размерами, значительно меньшими размеров камеры, в зоне вывода обычно используют предварительное адиабатическое смещение пучка в сторону вывода – так называемый “бамп”. Это позволяет существенно снизить требования к величине интеграла поля ударного магнита. Для таких вариантов вывода пучков может быть использована “несимметричная” конструкция ударного магнита без ферромагнитного сердечника как менее энергозатратная для создания поля в нужной области апертуры ускорителя. Принципиальная конструкция такого ударного магнита представлена на рис. 2.

Рис. 2.

Схема расположения пучков относительно элементов ударного магнита.

Магнитное поле в области выводимого пучка формируется парой токонесущих проводников и проводящим экраном. В простейшем случае экран плоский.

2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УДАРНОГО МАГНИТА ВЫВОДА ПУЧКА ИЗ БУСТЕРА КОМПЛЕКСА NICA

Для ускорительного комплекса NICA (ОИЯИ, г. Дубна) [3] был разработан ударный магнит для выпуска ионов в канал, соединяющий синхротроны Бустер и Нуклотрон [4]. Конструкция ударного магнита не имеет ферромагнитного сердечника и состоит из одной пары проводников, соединенных параллельно, и стального экрана с полукруглым сечением, имеющим плоскую стенку в районе выводимого пучка [5]. Стенка заменяет вторую пару проводников с противоположным направлением тока, симметричную относительно центра пучка. Индуктивность данной конструкции составляет 650 нГн. Взаимная геометрия электродов и экрана формирует на орбите пучка необходимую конфигурацию магнитного поля с однородностью порядка 1.6% (рис. 3). Основные параметры ударного магнита приведены ниже:

Рис. 3.

2D-картина поля ударного магнита в поперечном сечении и однородность поля в области пучка.

Для оптимизации схемы питания ударного магнита были промоделированы различные режимы. В результате выбрана схема питания пары электродов с индуктивностью 650 нГн с помощью двух генераторов, подключенных с противоположных концов с разной полярностью токов выходных импульсов. Такая схема питания позволила уменьшить эффективную индуктивность ударного магнита в 2 раза и в результате получить необходимую скорость нарастания фронта импульса и длительность “плато” при приемлемых параметрах генератора.

На рис. 4 показаны результаты моделирования поля ударного магнита в 3D-модели с помощью пакета COMSOL.

Рис. 4.

а – компьютерное 3D-моделирование поля ударного магнита: неоднородность поперечного интеграла поля и распределение y-компоненты поля на эффективной длине магнита; б – структура силовых линий в двух поперечных сечениях – в центре и на входе в магнит.

3. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УДАРНОГО МАГНИТА

На рис. 5 показано поперечное сечение магнита в месте токоввода и отмечены основные узлы.

Рис. 5.

Поперечное сечение ударного магнита в месте высоковольтного ввода генератора. 1 – рабочие электроды; 2 – экранирующая опорная стенка (плита); 3 – опорные изоляторы; 4 – держатель электродов; 5 – фланец корпуса генератора; 6 – проходной высоковольтный изолятор; 7 – гибкая проводящая часть токоввода; 8 – корпус токоввода; 9 – сильфонная развязка; 10 – экран; 11 – геодезический кронштейн.

Быстрый вывод ионов из Бустера осуществляется в 2 этапа. На первом этапе циркулирующий пучок подводится к плите (2 на рис. 5). На втором этапе ударный магнит воздействует на пучок, и осуществляется собственно вывод ионов из Бустера.

На рис. 6 показаны фотографии общего вида готового магнита с заглушками, защищающими высоковольтные токовводы, и внутренней вакуумной части магнита с рабочими электродами.

Рис. 6.

Ударный магнит в процессе производства: слева – общий вид готового магнита с заглушками, защищающими высоковольтные токовводы; справа – внутренняя вакуумная часть магнита с рабочими электродами.

Высоковольтные вводы (см. рис. 5) представляют собой коаксиальную конструкцию, состоящую из герметичного корпуса из нержавеющей стали, медного гибкого токоввода 7 со стороны входа в корпус генератора, проходного высоковольтного изолятора 6 из вакуумно-плотной керамики с содержанием Al₂O₃ 99.7% и держателя электродов 4. Вводы имеют рабочую среду элегаза (SF₆) под давлением до 0.5 избыточной атмосферы и рассчитаны на прохождение на электроды кикера импульсов амплитудой до 60 кВ. Держатель электродов 4 позволяет компенсировать возможные тепловые деформации конструкции при вакуумном прогреве магнита и при воздействии на электроды механических колебаний при прохождении по ним высоковольтного импульса. Сами электроды с держателем определенной формы выставлены с необходимым зазором по вертикали и горизонтали, согласно размерам апертуры циркулирующего пучка, и не препятствуют его прохождению по вакуумной камере. Электроды крепятся к экранирующей плите с помощью опорных керамических изоляторов 3. Количество изоляторов оптимизировано на основании расчетов механических нагрузок при прохождении рабочих импульсов.

На рис. 7 показана часть токоввода со стороны входа в корпус генератора. Гибкий проводник 7 (см. рис. 5) состоит из медной оплетки с внутренней непроводящей шпонкой для поддержания объемной формы проводника. Такая конструкция позволяет проводить точное сочленение магнита с генераторами, исключить возможные механические нагрузки на изолятор и обеспечить надежные электрические контакты. Сам ударный магнит размещен на специальной подставке и выставляется на ускорителе по геодезическим знакам, расположенным на кронштейнах 11 (см. рис. 5), с помощью специальных регулировочных элементов.

Рис. 7.

Генераторная часть токоввода с гибким контактом.

Для электродной части токоввода (рис. 8) было проведено компьютерное моделирование в электростатическом режиме для выявления особо напряженных мест, что было учтено при оптимизации конструкции корпуса ввода. Полученные в рабочем варианте конструкции максимальные напряженности поля до 90 кВ/см как в сверхвысоком вакууме, так и в атмосфере SF₆ являются вполне допустимыми (рис. 9).

Рис. 8.

Электродная часть токоввода.

Рис. 9.

Результаты моделирования напряженности электрического поля.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ УДАРНОГО МАГНИТА

После сборки магнита были проведены вакуумные испытания, в ходе которых достигнут вакуум до 10^–10 Торр. Также были проведены электрические испытания при постоянном напряжении до 50 кВ. Пробоев в вакууме и во вводах не наблюдалось. Далее были проведены импульсные испытания магнита от генераторов с подачей SF₆ в токовводы.

На рис. 10 показаны осциллограммы выходных импульсов генераторов, снятых с поясов Роговского, расположенных в генераторной части токоввода.

Рис. 10.

Результаты испытаний генераторов ударного магнита на эквивалентную нагрузку. Сигнал с пояса Роговского при зарядном напряжении 47 кВ. Амплитуда тока 33 кА.

На рис. 11 показаны результаты испытаний магнита на комплексе NICA на его рабочем месте.

Рис. 11.

Импульсы с поясов Роговского генераторов “плюс” и “минус” при прогоне ударного магнита в канале Бустер–Нуклотрон. Напряжение 45 кВ и амплитуда тока 32 кА.

В настоящее время на комплексе NICA был осуществлен успешный выпуск ионов He¹⁺ и Fe¹⁴⁺ в канал Бустер–Нуклотрон с расчетными рабочими параметрами данного ударного магнита. В режиме неполной рабочей энергии Бустера до 240 МэВ/нуклон получен выпуск ионов железа при напряжении ударного магнита не более 17 кВ и соответственно токе 12 кА (рис. 12), что соответствует максимальному полю в магнитах канала для транспортировки неободранных ионов с Z/A = 4.

Рис. 12.

Скриншот с пульта управления: слева – выпущенный из Бустера NICA пучок на люминофоре; справа: вверху – сигналы с электродов пикапа при выпущенном пучке из Бустера, внизу – импульсы кикера.

Для полной рабочей энергии Бустера 600 МэВ/нуклон (для ионов с Z/A = 6) понадобятся максимальный ток 32 кА и напряжение 45 кВ. В ходе сеанса работы Бустера были осуществлены успешная тренировка и прогон ударного магнита на этих параметрах в течение нескольких часов без непосредственного вывода пучка.