Design of pulsed nonlinear kicker magnet for Wuhan light source
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摘要: 近年来，基于非线性冲击磁铁的离轴注入方案逐渐成为一种新兴的研究方向, 尤其适用于动力学孔径较小的储存环。该方案的特点是磁场在注入束流位置有较大值在中心轨道处接近零，显著降低了脉冲磁场对储存束流的扰动。设计了一种基于八导线布局的非线性冲击磁铁，重点研究了一些关键参数对磁场性能的影响，包括导线布局、磁铁端部边缘场、陶瓷真空镀膜等，并相应地综合优化了这些关键参数。结果表明所设计的非线性冲击磁铁能够满足在研的高亮度正负电子对撞环和高亮度同步辐射环的注入系统要求。Abstract: In recent years, off-axis injection schemes based on nonlinear kicker magnets have emerged as a new research focus, particularly suitable for storage rings with small dynamic apertures. This scheme is characterized by a strong magnetic field generated by the nonlinear kicker magnet at the injection point to deflect the injected beam, while maintaining a near-zero magnetic field near the central orbit, significantly reducing interference with the stored beam. This paper presents the design of a nonlinear kicker magnet with an eight-conductor layout, conducting an in-depth study on the impact of key parameters—such as conductor layout, edge fields at the magnet ends, and ceramic vacuum coatings—on magnetic field performance, followed by optimization of these parameters. Results indicate that this nonlinear kicker magnet design meets the injection system requirements for the high-brightness electron-positron collider and synchrotron radiation ring under development.
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Key words:
- off-axis injection /
- nonlinear kicker magnet /
- coating /
- beam coupling impedance /
- vortex effect
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剥离注入是强流质子同步加速器中最常用的注入方法，剥离膜系统是其关键设备。中国散裂中子源的剥离膜系统主要包括RCS注入区的主剥离膜和次剥离膜。在散裂中子源工作过程中，注入区剥离膜的作用是极其关键的，是实现负氢离子转换为质子注入加速的关键设备。散裂中子源主剥离膜采用面密度100 μg/cm2、厚度为500 nm的类金刚石膜片。碳膜具有比热容高、导热性好、密度小、热膨胀系数低及高熔点等优点，其熔点高达3800 K，但是类金刚石剥离膜同时又具有超薄、易碎等物理特性，500 nm薄膜的安装及固定难度高，同时在真空获得过程中，过大的压差导致空气扰动极有可能造成膜片的损坏。本文主要研究剥离膜辅助安装装置，实现剥离膜样品批量安装，通过对剥离膜的空气动力学进行分析，研究剥离膜片在真空获得过程中可能出现的膜片破坏情况，制定可行的真空获得方案以减小膜片被破坏的几率。
1. 剥离膜固定方式研究现状
国外散裂中子源对于剥离膜的快速安装方法进行了相关研究，除了美国散裂中子源(SNS)膜片采用单边无布丝悬挂固定方式外，大部分剥离膜固定方式均与图 1所示类似，即在膜架上布丝，以交叉的形式固定剥离膜，这种固定方式主要应用在J-PARC及LANL装置上。密集布丝能有效防止剥离膜边角因高温产生的起皱、弯曲等热应力释放现象，但是，这也是造成束流损失的一大原因。
由于散裂中子源环内循环质子束重复穿越，会在膜片上沉积大量的能量，产生很高的温度，同时在满足剥离效率要求下，一般选择熔点高、尽量薄的剥离膜片。所有类型剥离膜的共同特点是：(1)薄、易碎；(2)制备或安装困难；(3)耐高温。尽管选择的膜片材料都是高熔点的材料，但是交变的热载仍会使剥离膜褶皱、撕裂。另外，经测试，在室温环境下碳剥离膜在其变形量为12 mm时便破碎，如图 2所示。
2. 散裂中子源剥离膜批量安装试验
综合考虑束流包络、束流路径等因素，剥离膜采用双边固定形式[1-3]。由于膜片在重复注入次数为4次时温度将从300 K上升到1600 K，如图 3所示，膜片将承受热应力。碳膜采用双边固定及碳纤维辅助支撑方式，如图 4所示，能有效缓解剥离膜热变形[1-3]。
超薄剥离膜安装装置(如图 5所示)由底架、微距手动升降台、定位台面、碳纤维固定滚筒及标准定位块组成。装配过程首先将基底膜架安装在定位台面上，然后依次装配碳纤维和膜片，通过微距手动升降台抬高定位台面使碳纤维张紧，再装配支撑碳纤维，使用标准定位块对膜片进行高精度定位，最后安装夹紧膜架。整个过程需要在没有空气扰动、没有震动的环境下完成，严禁肢体接触膜片[4-6]。
图 5 碳膜辅助安装装置及批量安装样品Figure 5. Stripper foil installation set and the installation samples3. 剥离膜空气动力学分析
剥离膜系统需要在1×10-6 Pa的超高真空环境下工作，在真空获得阶段，气体流动将造成剥离膜震动或摆动，震动或摆动可能造成剥离膜片破坏，严重影响其寿命[5-6]。本文通过分析得出真空获得阶段真空抽速对膜片震动或摆动的影响，保证膜片使用寿命。剥离膜空气动力学分析采用Ansys的Workbench Fluent和Static Structural两模块进行。本文采用压差设定反推的方法获得膜片在不同进出口压力差的真空获得过程中的应力应变，对比膜片的允许应力应变获得进出口压差的限值。图 6为根据不同压差得出膜片的最大应力应变曲线图，膜片最大应力应变与压差成线性比例关系。从图 6中可见，进出口压差300 Pa以内，膜片形变在可承受范围内。
图 6 不同压差膜片最大应力应变分布图Figure 6. Maximum stress and strain distribution under different pressure difference图 7为300 Pa进出口压差计算残差值，进出口不平衡误差为0.006 5%，计算收敛。由于气体流动造成的膜片表面压力分布如图 8所示，膜片上所受压差为7 Pa左右。图 9为剥离膜系统空气流动分布图，在膜片周围，气体流动速度几乎为0。图 10为剥离膜周围空气扰动分布截面图，在膜片附近存在较小扰动，扰动压差大约为7 Pa。图 11为出口气流速度分布图，最高速度为23 m/s。图 12为膜片应力应变分布图，最大应变为0.012 m，最大应力为40 MPa。根据图 2实验，当膜片的摆动量超过12 mm时将造成破坏，因此可知，在压差低于300 Pa时，膜片的最大应力为4.02×107 Pa，膜片最大应变为12.2 mm，膜片可能受到破坏，因此真空获得时压差不得高于300 Pa。
4. 剥离膜系统真空获得测试
经Workbench fluent模拟分析计算，300 Pa压差时，出口端的速度为4.609 m/s，出口半径为0.03 m，则允许最大流速为13 L/s，由于前级泵抽速为8 L/s，低于理论计算的流速，因此在剥离膜系统真空获得的粗抽阶段，无需进行抽速限制。图 13为实际真空获得过程中，膜片的真实情况，据观察, 膜片未发生震动或摇摆。
剥离膜系统真空获得主要使用抽速为300 L/s的分子泵机组一套，前级泵粗抽抽速为8 L/s，采用MKS937B CCG真空计监测系统真空度。使用氦质谱检漏仪监测，系统漏率优于3.2×10-11 mbar·L/s，经调试，剥离膜系统最终真空度优于1.3×10-7 Pa，如图 14所示。
5. 结论
散裂中子源剥离膜超薄易碎的特点导致膜片安装及真空获得困难，本文通过研究设计了剥离膜片辅助安装装置，实现样品的批量安装；采用压差设定反推的分析方法，通过Fluent仿真获得膜片真空获得过程中的压力分布、膜片周围空气扰动、系统气体流动及膜片的应力应变分布情况，制定在不破坏剥离膜的前提下真空获得方案，通过实际测试，膜片完好并获得系统超高真空。
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图 1 利用非线性冲击磁铁进行离轴注入过程的相空间示意图
Figure 1. Phase space schematic diagram of off-axis injection process using pulsed nonlinear magnet
图 3 理论曲线、OPERA-2D、OPERA-3D仿真磁场对比分析图
Figure 3. Magnetic field comparative analysis of theoretical curves,OPERA-2D and OPERA-3D simulation curves
图 4 非线性冲击磁铁完整结构示意图
Figure 4. Schematic diagram of complete structure and interal connection of pulsed nonlinear magnet
图 6 非线性冲击磁铁完整模型磁场By的三维分布
Figure 6. Three-dimensional distribution of the magnetic field By in the complete model of a pulsed nonlinear magnet
图 8 不同厚度模型注入点磁场时域图
Figure 8. Time-domain plot of magnetic field at injection point in different thickness models
图 9 不同镀膜厚度下注入点磁场时域图
Figure 9. Time domain diagram of the magnetic field of the injection point under different coating thicknesses
图 10 不同Ti镀膜厚度中心无场区分布图
Figure 10. Distribution of fieldless area in the center of different Ti coating thicknesses
图 11 1 μm Ti 镀膜的脉冲非线性磁铁热功率时域图像
Figure 11. Time-domain image of the thermal power of a coated pulsed nonlinear magnet with 1 μm Ti coating
图 12 完整镀膜模型与条形镀层模型在注入点的磁场强度时域图像
Figure 12. Time-domain images of the magnetic field strength of the full coating model and the strip coating model at the injection point
图 14 非线性冲击磁铁的束流耦合阻抗对比分析
Figure 14. Comparison of beam coupling impedances of pulsed nonlinear magnet
表 1 脉冲非线性磁铁设计参数
Table 1. Pulsed nonlinear magnet design parameters
vertical
gap/mmlength/
mmmaterial wire
diameter/mminner traverse center
coordinates/mmouter traverse center
coordinates/mmmagnetic
inductance/μHmax. peak
current/Amax. charging
voltage/kV10 500 oxygen-free copper 2 (7，8)±0.04 (9.5，13)±0.04 1.1 5355 20.2 
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表 2 不同Ti镀膜厚度在注入点x0=−5 mm的参数
Table 2. Parameters with different Ti coating thicknesses at the injection point x0=−5 mm
coating thickness/μm peak moment/μs peak magnetic field/T peak integration field/(T·m) 0 0.5 0.0296 0.0148 1 0.54 0.0291 0.0145 5 0.63 0.0268 0.0134 10 0.72 0.0251 0.0126 50 1.13 0.0159 0.0080
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表 3 不同间隙下非线性冲击磁铁注入点磁场强度、中心区平坦度
Table 3. Magnetic field strength and flatness of the central region at the injection point under different gaps
gap spacing/mm peak moment/μs peak magnetic field/T maximum magnetic field/mT 1 0.53 0.0293 0.0056 2 0.53 0.0290 0.2120 3 0.52 0.0294 0.1470 4 0.51 0.0292 0.0093
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