Développement d’onduleurs cryogéniques à l’ESRF et SOLEIL J. Chavanne P. Elleaume G. Le Bec C. Penel F. Revol SOLEIL C. Benabderrahmane P. Berteaud M.E Couprie D. Zerbib J.L Marlats K. Tavakoli C. Kitegi Thèse à l’ESRF puis Post-Doctorat à SOLEIL 09/29/09 1

Onduleurs à faible période/fort champ Avantage: Décalage à K constant du spectre vers les hautes énergies. Augmentation de l’intensité spectrale: Nécessité: Fermeture du gap Développement des onduleurs sous vide IVUs (le faisceau d’e- limite le gap minimum) 09/29/09 2

Onduleurs sous vide (IVU) Onduleur PPM Onduleur Hybride Colonnette Aimant Poutres Soufflet Fer doux Amplitude du champ [ T ] Chambre à vide Circuit de refroidissement Pour un faible rapport Entrefer/l0 les onduleurs hybrides produisent un champ plus fort que les onduleurs PPM 09/29/09 Entrefer/l0

Matériaux magnétiques pour les IVUs GeV e-, , N: environnement extrême pour les aimants dans un IVU Risque de désaimantation pour de faibles valeurs de gap. Sélection d’aimants avec une importante résistance à la désaimantation. Pour un matériau donné la résistance augmente avec la coercivité. Sm2Co17 Forte résistance à la désaimantation Champ rémanent limité à 1.05 T Nd2Fe14B Fort champ rémanent (jusqu’à 1.4T) Faible résistance à la désaimantation Loi H(Br) basée sur des données constructeurs 0H= 9.08 -5.77xBr (J. Chavanne EPAC02) Pr2Fe14B Pas d’offre de constructeurs Mais … Aimants Nd2Fe14B résistant à GeV e-, g, N Aimants Nd2Fe14B compatibles à l’étuvage à 400K Champ coercitif µ0Hj [ T ] Rémanence Br[T] 09/29/09 4

A basse température on a de « nouveaux matériaux » magnétiques Un onduleur petite période fort champ à aimants permanents refroidis à température cryogénique? Refroidir les aimants permanents permet d’augmenter leur coercivité et leur rémanence T. Hara, APAC 2004 Température [ K ] Coercivité µ0Hc[ T ] Hc[ kA/m ] Nd2Fe14B Pr2Fe14B Nd2Fe14B Nd2Fe14B Nd2Fe14B Nd2Fe14B Pr2Fe14B Rémanence Br[ T ] Nd2Fe14B Nd2Fe14B Sm2Co17 Température [ K ] A basse température résistance aimants Nd2Fe14B ~ aimants Sm2Co17 (T. Bizen EPAC04) A basse température on a de « nouveaux matériaux » magnétiques 09/29/09

Onduleurs cryogéniques à aimants permanents Labo année PPM/Hyb. Matériau Br[T]/Hcj [T] @ 300K Br[T]/Hcj [T] @ 150K-NdFeB @100K-PrFeB Période [mm] Paramètre de déflexion Long. [m] SPring-8 2004 PPM NEOMAX BH50 Nd2Fe14B 1.4/1.39 1.6/1.4 15 1.3 0.6 SLS/ 2007  Hyb  NMX-S45SH Hitachi 1.32/ ~1.6 1.5/4.5  14 ? 2 ESRF (I) Hyb NEOREM 495t Nd2Fe14B 1.18/2.75 1.3/5 18 1.5 ESRF(II) 2009 Vacodym 764 Nd2Fe14B 1.36/1.63 1.5/4.5 1.6 DIAMOND/Danfysik 17.7 1.7 SOLEIL 2008 Pr2Fe14B 1.34/1.65 1.57/6.8 1.95 NSLS 1.8 3 09/29/09

Stratégie de développement à l’ESRF et SOLEIL Développement en deux étapes Réalisation à l’échelle 1:1 et installation sur l’anneau (2004) Validation de la conception Validation de la mesure magnétique sous vide Installation en janvier 2008 sur une ligne R&D et étude de son comportement (vide, thermique) cf poster de G. Le Bec. Réalisation d’un CPMU optimisé (2009) Choix d’un matériau à haut Br/faible Hcj Faible erreur de phase Installation sur une ligne utilisateur SOLEIL Réalisation d’un prototype optimisé Choix d’aimants à haut Br/faible Hcj basé sur des mesures systématiques de courbes d’aimantation pour différents aimants 1ère conception avec Nd2Fe14B BH50 (EPAC08) 2nde proposition de conception avec Pr2Fe14B (SRI09) Etude magnétique et thermique sur un petit prototype Faible erreur de phase Installation sur l’anneau 09/29/09

Modèle numérique du CPMU Modèle RADIA: Description des aimants utilise des courbes d’aimantation expérimentales mesurées au Laboratoire Louis Néel Description des pôles indépendante de la température   Hyb. ESRF Hyb. SOLEIL PPM Aimant Pole Largeur (x) [mm] 50 32 33 36 Hauteur (z) [mm] 30 24 22 18 Epaisseur (s) [mm] 6.2 2.8 6.5 2.5 4.5 Géométrie Modèle RADIA permet de: Calculer la variation du champ crête avec la température Déterminer les effets d’intégrales systématiques aux extrémités Calcul du point de fonctionnement des aimants 09/29/09 8 Tem

Variation avec la température du champ Bz et de l’intégrale de champ ∫Bz Intégrale de champ Iz vs T Intégrale Iz [Gm] Hyb. ESRF Température [K] Résultats principaux du modèle: B0 max(PrFeB)>B0 max(NdFeB), B0 max(NdFeB) à T=150K alors que Br max à 120K B0 presque constant sur un DT important (>30K) Avec NdFeB augmentation de l’intégrale pour T<150K La température d’opération: avec NdFeB: 150K (cf. Poster G. Le bec) Avec PrFeB: pas de contrainte (cf T. Tanabe, SRI09 ) 09/29/09

Point de fonctionnement des aimants Entrefer =10mm Point de fonctionnement à 300K proche de la désaimantation Aimantation [T] Réalisation d’un prototype Étude de la désaimantation Étude thermique Champ interne [T] Etude sur la désaimantation à faire 09/29/09

Le système cryogénique Principe: Azote liquide sous pression circulant en boucle fermée et refroidi par un bain d’azote liquide à pression atmosphérique Avantages Système connu à l’ESRF, utilisé pour refroidir les monochromateurs (support et expertise en interne) Adapté aux gros systèmes Importante capacité frigorifique 2kW Inconvénient (T~80K) fixé par le bain d’azote liquide Onduleur Tcpmu Boucle interne P=2bar +Dp T=Tsat T≈80K P[W] Bain d’azote liquide P=1bar, T=77K 09/29/09

Banc de mesures magnétiques I Mesure des 3 composantes de champs avec 3 sondes de Hall Vitesse: 30mm/s – échantillonnage 0.1mm (durée scan <2min) Banc ESRF (Réalisé) Axe longitudinal motorisé Motorisation dans l’air Rail en 3 blocs Chambre dédiée à la mesure Banc SOLEIL (en cours de développement) Axe longitudinal motorisé Motorisation dans le vide Rail en un seul bloc Mesure dans la chambre finale 09/29/09 12

Bancs de mesures magnétiques II Fil tendu: Pas de motorisation dans le vide La tension du fil est assurée par des poids Fil Tendu Translation horizontale ±25mm Translation verticale ±5mm 09/29/09 13

Résultats des mesures magnétiques à basse température: Evolution du champ Bz Variation du champ crête avec la température Comportement similaire au modèle RADIA Maximum de champ à T=148K Variation du champ crête <0.5% entre 135K et 180K Température [K] Champ crête [T] Modèle RADIA Effet systèmatique Signature systèmatique Pas si eloignée Mesure Entrefer =6mm 09/29/09

Résultats des mesures magnétiques à basse température: intégrale de champ Le changement de perméabilité dans les aimants induit des intégrales de champ (effet d’extrémité): Comportement similaire au modèle RADIA Peu d’effet sur l’intégrale de champ horizontal Trajectoire horizontale: 300K 120K Trajectoire verticale: Entrefer =6mm Mesure Modèle RADIA Intégrale/extrémité [Gm] Entrefer =6mm Trajectoire [µm] Effet systèmatique Signature systèmatique Pas si eloignée Température [K] Position longitudinale [m] Effet d’extrémité visible sur la trajectoire 09/29/09

Evolution des erreurs magnétiques à basse température: mesure de l’erreur de phase Température [K] Erreur de phase [°] Modèle +Mesure Erreur de phase Augmentation de l’erreur de phase à basse température ~ 1° entre 300 K et 150 K ~ 6° entre 150 K et 120 K Entrefer =6mm Variation de Température DT Gradient thermique le long des poutres Résulte du gradient longitudinal de température: - Déformation de l’entrefer - Changement local des propriétés des aimants L’augmentation de l’erreur de phase est acceptable pour cet onduleur. Un plus faible gradient est nécessaire pour obtenir un onduleur avec une faible erreur de phase. Variation de température DT [K] Chaquez point correspond à une mesure étude de phase RMS Corrél à une prevision Ces deux effets se compensent Corissance rapide Essentiel dominé mpar un gradient therrmique Température [K] 09/29/09

Résumé des mesures Bonne concordance entre le modèle RADIA et les mesures Pas d’erreur locale Effet globaux un gradient thermique le long des poutres Correction à température ambiante valable à basse température gradient longitudinal de température incompatible avec une erreur de phase <2.5° Encore des optimisations possibles: choix des matériaux banc de mesure sous vide Intégration d’un contrôle d’entrefer différentiel pour compenser un gradient thermique Modèle pas mal Gestion de l’échange thermique 09/29/09

Conclusion et perspectives Installation sur ID06 en Janvier 08 (C.f. Poster de G. Le Bec) Opération sur l’anneau OK 2009-2010: Réalisation de CPMU optimisé avec des aimants à fort Br (non étuvables). 09/29/09