陶瓷真空室研制及其阻抗的研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学技术大学国家同步辐射实验室 作者:尚雷

  介绍了电子储存环注入凸轨冲击磁铁及其真空室常采用的几种技术方案。合肥电子储存环新凸轨注入系统选择了铁氧体磁铁内置陶瓷真空室的方式。为了同时满足脉冲磁场穿透性能及束流耦合阻抗的要求,陶瓷真空室的内壁须镀1 层金属薄膜。对已制备的镀膜和无镀膜陶瓷真空室尾场函数及损失因子进行了测量,并对结果进行了拟合计算,得到陶瓷真空室宽带阻抗模型的有关参数。结合已进行的脉冲磁场穿透性能的结果,确立了改进的镀膜参数。

  根据不同的应用,电子储存环的注入凸轨冲击磁铁及真空室有几种技术方案。传统的作法是采用空气芯线圈,在不锈钢超高真空室内放置单匝电流板线圈,以产生所需要的脉冲磁场。但这种方式励磁效率低,体积大,真空室结构不连续,相对于其他真空管道的损失阻抗较大 。Dortmunt 大学研究人员为1.5 GeV 储存环DEL TA 设计了1 种新的缝隙型结构,它中间的两条金属板离束流较近,通过大部分镜像壁电流。这种结构的特点是耦合阻抗低,损失因子比普通空气芯磁铁小至少一个量级,且结构简单,易于实现。SLAC 也准备在NLC(next linear collider) 的2 种阻尼环(damping ring) 中采用这种结构。这种结构的缺点仍是励磁效率不高,要获得较大宽度的好场区,场形设计难度较大。

  在第3 代同步辐射光源储存环中广泛采用了铁氧体磁铁内置陶瓷真空室的方式 。使用陶瓷真空室的原因是使脉冲磁场能够穿透真空室壁,避免涡流损耗及磁场波形畸变。陶瓷真空室内壁须镀1 层很薄的金属膜,以维持壁电流的连续性,从而减少束流耦合阻抗。因金属膜会产生涡流损耗,因此,镀膜不能太厚。可以选择非均匀镀膜方式使镀膜中具有一些绝缘条纹,这样,既可减少涡流损耗及场畸变,又能维持较小的束流耦合阻抗。

  合肥电子储存环新凸轨注入系统项目中选择了陶瓷真空室内壁镀膜的技术方案,并进行了陶瓷真空室金属化焊接实验及镀膜实验。对镀膜造成的磁场损耗、波形畸变及均匀性变化等影响进行了理论分析与实验测量。本工作在此基础上,对真空室的纵向耦合阻抗进行测量,结合磁场的分析与实验结果,确立进一步改进的镀膜参数。

1、实验方法

  为了测量陶瓷真空室及其他真空管道的阻抗,采用电流模拟法,并建立了一纵向阻抗测量系统。该系统可自动测量纵向尾场函数、能量损失因子、纵向阻抗,具有高斯电流脉冲宽度连续可调、精度高、定时准确等特点。


  无镀膜陶瓷真空室、镀膜陶瓷真空室、内径35 mm突变不锈钢管道、无镀膜陶瓷真空室外加导电铝箔、镀膜陶瓷真空室外加铁氧体磁铁和镀膜陶瓷真空室外加导电铝箔的形状示于图1。

测量的几种真空室

图1  测量的几种真空室

a ———无镀膜;b ———镀膜;c ———内径35 mm 突变不锈钢管道;d ———无镀膜外加导电铝箔;e ———已镀膜加磁铁;f ———已镀膜加导电铝箔

  待测的镀膜陶瓷真空室两端焊接有不锈钢法兰,内孔为跑道形,截面尺寸为80 mm ×24 mm ,总长(包括两端法兰) 为350 mm。膜的方块电阻约为1 Ω ,根据脉冲磁场穿透性能的要求,镀膜具有一些绝缘条纹。在测量系统中,比较臂及测量臂的过渡段均为圆形( D=86 mm) ,在管子两端为非平滑过渡,分别形成一内突变和一外突变结构。

2、测量结果及分析

2.1、无镀膜和镀膜的测量结果

  无镀膜和镀膜2 种情况下的损失因子K 值曲线示于图2 。图2 (b) 是对应束团个数N =45 、存储束流I = 300 mA 时的损失功率。采用了镀膜陶瓷真空室的K 值及损失功率大约是未镀膜真空室的1/ 5 。对应于σ= 100 ps ,镀膜陶瓷真空室的K 值为0.14 TV/ C ,损失功率为61 W。

无镀膜和镀膜情况下的K 值 

图2  无镀膜和镀膜情况下的K 值曲线(a) 和损失功率(b)

●———未镀膜; ○———镀膜

2.2、其他几种情况下的测量结果

  测量件的两端分别有一内突变和一外突变结构,它们对K 值有一定贡献。为了确定单独由镀膜引起的K 值以及研究进一步增加镀膜厚度的必要性,选择了2 种测量件,无镀膜陶瓷真空室外加导电铝箔及内径为35 mm 的突变不锈钢管道进行比较。当外加导电铝箔和陶瓷真空室两端金属法兰电接触良好时,可以认为这种情况与同样截面的不锈钢管道阻抗基本一致。对内径35 mm 突变不锈钢管道的测量也是因为该管道突变结构和陶瓷管相类似,故可以作为一个参考。镀膜真空室、无镀膜真空室外加导电铝箔及内径35 mm 突变不锈钢管道的K值示于图3 。

  从图3 可见,对应于σ= 100 ps ,镀膜真空室、未镀膜真空室外加导电铝箔及内径35 mm突变不锈钢管道的K 值分别为0.134 、0.091和0.063 TV/ C。因此,进一步增加镀膜厚度估计能够使K 值进一步减小, K 值大约能达到目前的1/2 。

  真实情况下,镀膜陶瓷真空室外均置有铁氧体磁铁。因此,应测量阻抗以确定铁氧体磁铁及励磁电流板对阻抗有无影响。测量时,将励磁电流板的一端接地(和真实情况相同) 。结果表明:镀膜陶瓷真空室外加导电铝箔的K 值没有变化,这是因为镀膜屏蔽了电磁场,因此,束流“看不到”镀膜以外的导电层;外置铁氧体磁铁时的K 值也基本没有变化。图3 中K 值的差异在实验的误差范围内,如由更换中心导线或波形定时等引起的误差。

不同真空室的K 值曲线 

图3  不同真空室的K 值曲线

□———镀膜陶瓷真空室; ○———内径35 mm 突变不锈钢管道; △———无镀膜陶瓷真空室外加导电铝箔;●———镀膜陶瓷真空室外加导电铝箔;▲———镀膜陶瓷真空室外加铁氧体磁铁

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