介紹了電子儲存環(huán)注入凸軌沖擊磁鐵及其真空室常采用的幾種技術(shù)方案。合肥電子儲存環(huán)新凸軌注入系統(tǒng)選擇了鐵氧體磁鐵內(nèi)置陶瓷真空室的方式。為了同時滿足脈沖磁場穿透性能及束流耦合阻抗的要求,陶瓷真空室的內(nèi)壁須鍍1 層金屬薄膜。對已制備的鍍膜和無鍍膜陶瓷真空室尾場函數(shù)及損失因子進(jìn)行了測量,并對結(jié)果進(jìn)行了擬合計算,得到陶瓷真空室寬帶阻抗模型的有關(guān)參數(shù)。結(jié)合已進(jìn)行的脈沖磁場穿透性能的結(jié)果,確立了改進(jìn)的鍍膜參數(shù)。

　　根據(jù)不同的應(yīng)用,電子儲存環(huán)的注入凸軌沖擊磁鐵及真空室有幾種技術(shù)方案。傳統(tǒng)的作法是采用空氣芯線圈,在不銹鋼超高真空室內(nèi)放置單匝電流板線圈,以產(chǎn)生所需要的脈沖磁場。但這種方式勵磁效率低,體積大,真空室結(jié)構(gòu)不連續(xù),相對于其他真空管道的損失阻抗較大 。Dortmunt 大學(xué)研究人員為1.5 GeV 儲存環(huán)DEL TA 設(shè)計了1 種新的縫隙型結(jié)構(gòu),它中間的兩條金屬板離束流較近,通過大部分鏡像壁電流。這種結(jié)構(gòu)的特點是耦合阻抗低,損失因子比普通空氣芯磁鐵小至少一個量級,且結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn)。SLAC 也準(zhǔn)備在NLC(next linear collider) 的2 種阻尼環(huán)(damping ring) 中采用這種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的缺點仍是勵磁效率不高,要獲得較大寬度的好場區(qū),場形設(shè)計難度較大。

　　在第3 代同步輻射光源儲存環(huán)中廣泛采用了鐵氧體磁鐵內(nèi)置陶瓷真空室的方式 。使用陶瓷真空室的原因是使脈沖磁場能夠穿透真空室壁,避免渦流損耗及磁場波形畸變。陶瓷真空室內(nèi)壁須鍍1 層很薄的金屬膜,以維持壁電流的連續(xù)性,從而減少束流耦合阻抗。因金屬膜會產(chǎn)生渦流損耗,因此,鍍膜不能太厚。可以選擇非均勻鍍膜方式使鍍膜中具有一些絕緣條紋,這樣,既可減少渦流損耗及場畸變,又能維持較小的束流耦合阻抗。

　　合肥電子儲存環(huán)新凸軌注入系統(tǒng)項目中選擇了陶瓷真空室內(nèi)壁鍍膜的技術(shù)方案,并進(jìn)行了陶瓷真空室金屬化焊接實驗及鍍膜實驗。對鍍膜造成的磁場損耗、波形畸變及均勻性變化等影響進(jìn)行了理論分析與實驗測量。本工作在此基礎(chǔ)上,對真空室的縱向耦合阻抗進(jìn)行測量,結(jié)合磁場的分析與實驗結(jié)果,確立進(jìn)一步改進(jìn)的鍍膜參數(shù)。

1、實驗方法

　　為了測量陶瓷真空室及其他真空管道的阻抗,采用電流模擬法,并建立了一縱向阻抗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動測量縱向尾場函數(shù)、能量損失因子、縱向阻抗,具有高斯電流脈沖寬度連續(xù)可調(diào)、精度高、定時準(zhǔn)確等特點。

　　無鍍膜陶瓷真空室、鍍膜陶瓷真空室、內(nèi)徑35 mm突變不銹鋼管道、無鍍膜陶瓷真空室外加導(dǎo)電鋁箔、鍍膜陶瓷真空室外加鐵氧體磁鐵和鍍膜陶瓷真空室外加導(dǎo)電鋁箔的形狀示于圖1。

圖1 　測量的幾種真空室

a ———無鍍膜;b ———鍍膜;c ———內(nèi)徑35 mm 突變不銹鋼管道;d ———無鍍膜外加導(dǎo)電鋁箔;e ———已鍍膜加磁鐵;f ———已鍍膜加導(dǎo)電鋁箔

　　待測的鍍膜陶瓷真空室兩端焊接有不銹鋼法蘭,內(nèi)孔為跑道形,截面尺寸為80 mm ×24 mm ,總長(包括兩端法蘭) 為350 mm。膜的方塊電阻約為1 Ω ,根據(jù)脈沖磁場穿透性能的要求,鍍膜具有一些絕緣條紋。在測量系統(tǒng)中,比較臂及測量臂的過渡段均為圓形( D=86 mm) ,在管子兩端為非平滑過渡,分別形成一內(nèi)突變和一外突變結(jié)構(gòu)。

2、測量結(jié)果及分析

2.1、無鍍膜和鍍膜的測量結(jié)果

　　無鍍膜和鍍膜2 種情況下的損失因子K 值曲線示于圖2 。圖2 (b) 是對應(yīng)束團(tuán)個數(shù)N =45 、存儲束流I = 300 mA 時的損失功率。采用了鍍膜陶瓷真空室的K 值及損失功率大約是未鍍膜真空室的1/ 5 。對應(yīng)于σ= 100 ps ,鍍膜陶瓷真空室的K 值為0.14 TV/ C ,損失功率為61 W。

圖2 　無鍍膜和鍍膜情況下的K 值曲線(a) 和損失功率(b)

●———未鍍膜; ○———鍍膜

2.2、其他幾種情況下的測量結(jié)果

　　測量件的兩端分別有一內(nèi)突變和一外突變結(jié)構(gòu),它們對K 值有一定貢獻(xiàn)。為了確定單獨由鍍膜引起的K 值以及研究進(jìn)一步增加鍍膜厚度的必要性,選擇了2 種測量件,無鍍膜陶瓷真空室外加導(dǎo)電鋁箔及內(nèi)徑為35 mm 的突變不銹鋼管道進(jìn)行比較。當(dāng)外加導(dǎo)電鋁箔和陶瓷真空室兩端金屬法蘭電接觸良好時,可以認(rèn)為這種情況與同樣截面的不銹鋼管道阻抗基本一致。對內(nèi)徑35 mm 突變不銹鋼管道的測量也是因為該管道突變結(jié)構(gòu)和陶瓷管相類似,故可以作為一個參考。鍍膜真空室、無鍍膜真空室外加導(dǎo)電鋁箔及內(nèi)徑35 mm 突變不銹鋼管道的K值示于圖3 。

　　從圖3 可見,對應(yīng)于σ= 100 ps ,鍍膜真空室、未鍍膜真空室外加導(dǎo)電鋁箔及內(nèi)徑35 mm突變不銹鋼管道的K 值分別為0.134 、0.091和0.063 TV/ C。因此,進(jìn)一步增加鍍膜厚度估計能夠使K 值進(jìn)一步減小, K 值大約能達(dá)到目前的1/2 。

　　真實情況下,鍍膜陶瓷真空室外均置有鐵氧體磁鐵。因此,應(yīng)測量阻抗以確定鐵氧體磁鐵及勵磁電流板對阻抗有無影響。測量時,將勵磁電流板的一端接地(和真實情況相同) 。結(jié)果表明:鍍膜陶瓷真空室外加導(dǎo)電鋁箔的K 值沒有變化,這是因為鍍膜屏蔽了電磁場,因此,束流“看不到”鍍膜以外的導(dǎo)電層;外置鐵氧體磁鐵時的K 值也基本沒有變化。圖3 中K 值的差異在實驗的誤差范圍內(nèi),如由更換中心導(dǎo)線或波形定時等引起的誤差。

圖3 　不同真空室的K 值曲線

□———鍍膜陶瓷真空室; ○———內(nèi)徑35 mm 突變不銹鋼管道; △———無鍍膜陶瓷真空室外加導(dǎo)電鋁箔;●———鍍膜陶瓷真空室外加導(dǎo)電鋁箔;▲———鍍膜陶瓷真空室外加鐵氧體磁鐵