L’onduleur Hélicoïdal Electromagnétique à Aimants Permanents de SOLEIL (Electromagnetic Permanent Magnet Helical Undulator) F. Marteau, D. Aballea,Y.M. Abiven, P. Berteaud, F. Blache, F. Bouvet, L. Chapuis, F. Choueikani, T. Elajjouri, A. Mary, N. Leclercq, P. Ohresser, E. Otero, K. Tavakoli, M.E. Couprie

(Polarisation horizontale) Introduction Onduleur → Système qui crée un champ magnétique périodique, produisant de la lumière quand un faisceau d’électrons le traverse. Photons (Polarisation horizontale) Champ magnétique périodique vertical Electrons Période de l’onduleur Z X S Facteur de déflection de l’onduleur Longueur d’onde 𝜆r =𝜆0 . 1 + 𝐾2 2 + 𝛾2.𝜑2 2.𝛾2 Paramètres de la machine Principe du rayonnement synchrotron dans un système magnétique Onduleur HU52 Lucia L’installation d’un onduleur implique donc: Contraintes côté machine: Contraintes côté ligne de lumière: 𝐼1𝑧(𝑥,𝑧)= −∞ +∞ 𝐵𝑧 𝑠,𝑥,𝑧 𝑑𝑠 → énergie, brillance, stabilité en position 𝐼2𝑧(𝑥,𝑧)= −∞ +∞ −∞ 𝑠 𝐵𝑧 𝑢,𝑥,𝑧 𝑑𝑢 𝑑𝑠 P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 2

Descriptions 𝜋 4 Machine Ligne de lumière DEIMOS L’onduleur Hélicoïdal HU65 EMPHU: H1(Bz) = H1(Bx) déphasé de → polarisation circulaire des photons émis. H1(-Bz) = H1(Bx) déphasé de → polarisation circulaire opposée des photons. 𝜋 4 Machine Ligne de lumière DEIMOS HU65 EMPHU HU52 installé Intégrale première ± 0,2 G.m Fondamental 350 eV min Basculement <100 ms 10 s Intégrale seconde ± 1G.m2 Reproductibilité de position ±5 %* Cahier des charges HU65 EMPHU * De la taille du spot → exemple: ±25 µm sur un spot de 500 µm. P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 3

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 Onduleur Caractéristiques: 26 Périodes de 65 mm. Champ Bx → aimants NdFeB: H1(Bx) = 0,24 T @ Entrefer = 14,7 mm Champ Bz → pôles acier-silicium (tôle à transfo) et bobines Cu: H1(Bz) = ±0,24 T @ Entrefer = 14,7 mm / ±350 A Bz Z Entrefer S Bx X Système magnétique HU65 EMPHU P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 4

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 Champ vertical Constitution et principe des bobines de champ vertical: Z 32 feuilles Cu de 1,5 mm découpées au jet d’eau. 9 plaques de refroidissement Cu de 2,5 mm. Feuilles d’isolation en Kapton de 40 µm. S X Pôle Assemblage EMPHU Kapton Z S X Mise en série I (A) Feuille Cu N°1 Feuille Cu N°2 Champ vertical Bz Circuit 21°C Feuilles Cu Z Plaques de refroidissement X S Coupe transverse Principe des bobines EMPHU P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 5

Alimentations Alimentations à commutation rapide: Toutes développées et assemblées à SOLEIL par le Groupe Alimentation. Electronique rapide capable de basculer en 100 ms. 1 alimentation principale ±350 A. 8 alimentations de corrections. SPIcontrôleur CPCI Alimentations de corrections Alimentation principale Entrée analogique ou numérique (Profibus). SPIcontrôleur développé par le Groupe Electronique Contrôle et Acquisition → synchronisation analogique (~2µs) L’ensemble complet est piloté via le système de contrôle TANGO. Baie de contrôle et correction HU65 EMPHU Baie principale HU65 EMPHU P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 6

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 Echauffement Mesures Thermiques: 18 sondes de température en Platine (PT100) sur chaque plaque de refroidissement (centre de l’onduleur). 6 sondes dans les endroits stratégiques pour les mesures (aimants, poutres et circuit d’eau). PT100 EMPHU ≈ 40 min Δp = 8,4 Bar Débit = 38,4 l/min Câblage PT100 P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 7

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 Sécurités & Alarme Trois systèmes de sécurité: Thermique: 18 vigithermes en série sur les circuits de refroidissement des bobines. Hydraulique: 1 débitmètre au niveau de la sortie générale. Air: 2 contacts d’alarme au niveau des moteurs d’aspiration. Circuit Vigithermes Circuit de refroidissement Circuit d’aspiration P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 8

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 Correcteurs Deux types de correcteurs pour le champ vertical: Internes en opposition: IP1/IP50 → position de sortie du faisceau d’électrons de l’onduleur. HUE/HUS → direction d’émission du faisceau de photons. Externes: CHE, CVE → intégrales résiduelles des champs verticaux et horizontaux. CHS, CVS CHS CHE IP50 HUS HUE IP1 CVS CVE Système de corrections P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 9

Hystérésis & corrections Cyclage et corrections champ horizontal: 6 cycles à I = ±350A avec les correcteurs intégrés IP1/IP50 = ±22 A. IBP (A) Intégrale Iz0 à X = 0 mm (G.m) 350 -1,33 -0,34 -350 +1,02 -0,31 ΔIz0 (@0A) (G.m) 0,03 Les intégrales de champs générées par les aimants permanents sont corrigées mécaniquement à I = 0 A. Mesures d’Hystérésis Le résidu d’intégrale de champ vertical à 0 A est faible ≈ -30 G.cm Sa reproductibilité est de 3 G.cm, donc l’hystérésis est très faible. P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 10

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 Mesures statiques Points de fonctionnement: Pour différents entrefers (14,7 → 50 mm): Réglage du courant principal pour avoir H1(Bz) = H1(Bx) → Champ hélicoïdal ce qui définit les points de fonctionnement statique. Correction de la trajectoire avec les courants IP1/IP50. ΔB = 39 Gauss représente 1,5% → taux de polarisation >99% P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 11

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 Mesures statiques Calcul SRW à I = +350A Réglage de la direction d’émission: Celle-ci est prise en compte pour la correction avec les courants HU. Les calculs des profils transverses de rayonnement à 350 eV à partir des champs mesurés pour un électron montrent des différences de pointé horizontal et vertical nulles (Surface de flux 0.2mm x 0.2mm à 13 m). I = +350 A IP1 = +8,68 A IHUE = +8,42 A I = -350 A IP1 = -9,93 A IHUE = -5,18 A Calcul SRW à I = -350A Trajectoire horizontale (µm) Axe S (m) Δ dir_X = 1 µRad sur une émission = 30 µRad → 3,3% La tolérance maximum est de 5% P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 12

Mesures statiques Exemple de Table Statique: P. Berteaud Efficacités des correcteurs internes Champs magnétiques Paramètres des directions d’émission Courants Angles calculés CHE/CHS & CVE/CVS Paramètres du spectre P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 13

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 Mesures dynamiques Système de mesures: Les transitions rapides induisent des courants de Foucault dans la chambre à vide. Il faut les compenser afin de ne pas perturber le faisceau d’électrons. Cela nécessite donc une correction dépendante du temps. Installation d’une chambre à vide SOLEIL. Installation des correcteurs externes. Mesures d’intégrales → bobine de flux (fils de Litz). Mesures de positions de sortie verticale et horizontale → la méthode « Twisted Coil ». HUE/HUS → pas de correction de la direction d’émission lors du basculement (linéaire). CVS CVE HUS HUE IP50 IP1 Mesures dynamiques HU65 EMPHU P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 14

→It0 avec la dernière forme de courant IP du gap précédent. Mesures dynamiques Correction dynamique de la position horizontale de sortie: Correction itérative d’après la réponse impulsionnelle du système (1A / 1ms). Méthode des moindres carrés pour les problèmes linéaires (Matlab). →It0 avec la dernière forme de courant IP du gap précédent. La position de sortie est corrigée à ±2 µm après la troisième itération (Tolérance ±3µm). La correction de l’intégrale de champ s’effectue de la même manière avec les correcteurs CHE/CHS avant la correction de la trajectoire car la méthode « Twisted coil » ne fonctionne que pour une intégrale nulle . P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 15

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 Conclusion Mesure sur la ligne de lumière Deimos: Une première mesure de Dichroïsme a été réalisée sur un échantillon de Cobalt. Les résultats montrent que HU65 EMPHU fonctionne bien et est aussi performant que l’onduleur AppleII HU52 (plus rapide). HU65 EMPHU dans l’anneau de stockage Le signal de dichroïsme du cobalt étant élevé, cette mesure ne permet pas encore de qualifier complètement l’onduleur HU65 EMPHU. Mais d’autres mesures viendront afin de pousser cet onduleur à 100% de ses capacités… P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 16

Merci de votre attention… P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 17

Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 Annexe Méthode de correction: Pour différents gap entre 14,7 et 35 mm, nous mesurons l’effet d’une impulsion de courant (1A/1ms) sur chaque correcteur. Ces signatures sont intégrées à Matlab dans une matrice de réponses « [A] » Nous utilisons la méthode des moindres carrés pour les problèmes linéaires: X.[A] = b Vecteur courant IP X Vecteur réponse b . [A] = Après avoir mesuré les défauts des transitions « D », Matlab calcul une forme de vecteur courant « x » pour minimiser la quantité ∑(b-D)2 P. Berteaud Journées Accélérateurs SFP 16/10/2013 18