CN118136303A - 一种真空内逐束团电磁移相器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种真空内逐束团电磁移相器，其包括真空室，以及置于真空室内部的移相器电磁铁；所述移相器电磁铁采用单匝的励磁线圈，且所述移相器电磁铁通过真空穿墙件电极接口与真空室外部的励磁脉冲电源电连接。本发明的真空内逐束团电磁移相器其移相器电磁铁采用单匝的励磁线圈，以尽可能的减小移相器磁铁的电感量，其配合脉冲励磁电源，实现了励磁电流的大小的快速改变，进而快速改变磁感应强度，进而快速调节电子束的相位。
Description
技术领域
本发明属于自由电子激光装置束团移相器领域，具体涉及一种真空内逐束团电磁移相器，其实现了励磁电流快速切换。
背景技术
在自由电子激光装置中，偏振状态可控的XFEL（X射线自由电子激光）辐射光是研究物质的结构、磁性、电性、自旋和手性特征等各种不均匀性的有效工具，是XFEL（X射线自由电子激光）光源的一个重要发展方向。物理学家已经在理论上证明了使用交叉平面波荡器对两个方向的线偏振光进行耦合可以实现偏振可控XFEL（X射线自由电子激光）辐射。对两个方向的线偏振控制是通过调节平面交叉波荡器中间的移相器移相能力实现的，传统的低重频（＜1kHz）FEL（自由电子激光）装置移相器采用直流电磁铁，通过机械调节磁铁的位置及磁隙实现移相能力的调节。针对高重复频率（＞10 kHz）FEL（自由电子激光）装置，机械调节的响应不能满足需求。为实现高重频FEL装置中快速切换能力，将传统移相器中的电磁铁，替换为快速脉冲磁铁。通过调节脉冲磁铁的励磁电流实现对电子束相对辐射光的相位调节，从而实现偏振状态的快速切换。当快速移相器开启时，束流经过旁路轨道，通过调节脉冲电磁铁的磁感应强度实现相位延迟；当快速电磁移相器关闭时，束流经过直通轨道，此时无相位延迟。
移相器分为永磁铁移相器(permanent magnet phase shifter, PMPS)和电磁铁移相器(electromagnetic phase shifter, EMPS)。永磁铁移相器因其技术难度较小而得到了更广泛的应用，例如欧洲E-XFEL、美国LCLS-II、日本SACLA、韩国PAL-XFEL、瑞士SwissFEL以及我国SXFEL、DCLS等[1-5]。永磁铁移相器通过机械调节磁隙来调节电子束的相位，无法完成磁场的快速建立和消除；电磁铁移相器通过改变磁场强度来调节电子束的相位。然而，传统的电磁铁移相器采用恒流电流源励磁，移相能力的切换通过调节恒流源的电流及开关电源实现，其相应时间在1-10ms量级，不具备快速切换能力。
从文献来看，我国光源研究人员做过真空外电磁移相器样机[6]；日本Spring-8在其偏振可控软X光束线上使用了真空外电磁移相器，其频响做到了1kHz[7-8]。
随着高重复频率硬X射线FEL装置的发展，实现偏振状态快速切换的逐束团移相器概念被提及。国内外还没有这种移相器设备。因此，有必要提出一种适用于高重频FEL装置应用的真空内逐束团电磁移相器，以满足科学用户对偏振可控FEL光源的需求。
参考文献：
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[4] Yue Tao, Ji Qiang, A variable field phase-shifter forrecirculating proton linacs[J].2018 Phys.: Conf. Ser. 1067 052016
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发明内容
本发明的目的在于提供一种真空内逐束团电磁移相器，以实现移相能力快速切换的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种真空内逐束团电磁移相器，包括真空室，以及置于真空室内部的移相器电磁铁；所述移相器电磁铁采用单匝的励磁线圈，且所述移相器电磁铁通过真空穿墙件电极接口与真空室外部的励磁脉冲电源电连接。
所述移相器电磁铁包括彼此拼合以在两者之间形成一个中间通道的两个C型磁芯，单匝的励磁线圈贯穿所述中间通道设置。
所述励磁线圈具有沿移相器电磁铁的长度方向贯穿所述中间通道设置的第一矩形铜棒和第二矩形铜棒，位于中间通道的外部且连接第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的端部的线圈端部边框，以及与所述励磁脉冲电源电连接的两个彼此间隔开的线圈接头。
两个线圈接头之间设有绝缘与支撑件；和/或两个线圈接头共同设于第一矩形铜棒的中间位置、第二矩形铜棒的中间位置、或者设于线圈端部边框处。
两个C型磁芯在垂直于移相器电磁铁的长度方向的水平方向上相对设置，第一矩形铜棒位于中间通道的顶部，且第二矩形铜棒位于中间通道的底部，第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的宽度等于中间通道的宽度，且线圈端部边框具有与中间通道的宽度一致且与第一矩形铜棒的底面和第二矩形铜棒的顶面均齐平的束流开口。
所述中间通道除去第一矩形铜棒和第二矩形铜棒后的高度为16mm，中间通道的宽度为10mm，第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的截面的尺寸为10mm×7mm的矩形；每一块C型磁芯组件在移相器电磁铁的长度方向上的厚度为10mm，49块C型磁芯组件在移相器电磁铁的长度方向上依次排布，以共同构成总长度为490mm的C型磁芯。
第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的材质为无氧铜，所述C型磁芯采用DN5H镍锌铁氧体材料。
所述移相器电磁铁还包括套设于两个C型磁芯的外部的金属外框和导冷带，所述导冷带的一端与金属外框相连，另一端与真空室的内壁相连。
所述真空室的左右两侧设有至少一个观察窗；和/或所述真空室前后两侧设有束流连通连接法兰，并通过所述束流连通连接法兰与上下游的真空管道连接。
所述的真空内逐束团电磁移相器还包括磁铁支架；以及安装于磁铁支架上的磁铁调整支架，所述真空室安装于磁铁调整支架上，和/或安装于磁铁支架上的离子泵，所述真空室与离子泵连通。
本发明的真空内逐束团电磁移相器其移相器电磁铁采用单匝的励磁线圈，以尽可能的减小移相器磁铁的电感量，其配合脉冲励磁电源，实现了励磁电流的大小的快速改变，进而快速改变磁感应强度，进而快速调节电子束的相位。此外，本发明采用铁氧体材料作为磁芯以解决高频励磁下的涡流损耗问题，并且通过导冷带解决高频励磁下的励磁线圈及磁芯的热功耗问题。
本发明的真空内逐束团电磁移相器将传统移相器的真空外永磁铁或者直流电磁铁更改为真空内脉冲磁铁，该移相器磁铁基于脉冲励磁工作方式，通过脉冲励磁电流源的高重复频率工作和快速调节能力，实现移相器逐束团移相能力的快速切换，因此移相器相较于传统的电磁移相器具有工作频率高，切换速度快等优点。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的真空内逐束团电磁移相器的正视图。
图2是如图1所示的真空内逐束团电磁移相器的侧视图。
图3是如图1所示的真空内逐束团电磁移相器的立体结构示意图。
图4是如图1所示的真空内逐束团电磁移相器的俯视图，其中真空室部分移除以使得移相器电磁铁外露。
图5是真空内逐束团电磁移相器所采用的移相器电磁铁的正视图。
图6是如图5所示的移相器电磁铁的侧视图。
图7是如图5所示的移相器电磁铁的俯视图。
图8是如图5所示的移相器电磁铁的平行于长度方向的剖面图。
图9是如图5所示的移相器电磁铁的垂直于长度方向的截面图。
图10是如图5所示的移相器电磁铁的线圈结构及其电流方向图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图1-图4所示为根据本发明的一个实施例的真空内逐束团电磁移相器，其包括磁铁支架10，安装于磁铁支架10上以受其支撑的离子泵20和磁铁调整支架30，安装于磁铁调整支架30上并与离子泵20连通的真空室40，以及置于真空室40内部的移相器电磁铁50。
由此，真空室40置于磁铁调整支架30上；磁铁调整支架30置于磁铁支架10上，用于真空室40的位置微调。
真空室40的形状为方形。真空室40的左右两侧各设置至少一个内径35mm的观察窗41，以便于观察真空室内相关设备如内部的移相器电磁铁50。真空室前后两侧设有内径150mm的束流连通连接法兰42，并通过所述束流连通连接法兰42与上下游的真空管道连接，从而维持真空并供束团通过。真空室40下方采用离子泵20来维持真空室40的真空。
真空室40上还设有真空穿墙件电极接口43，所述移相器电磁铁50通过真空穿墙件电极接口43与真空室40外部的励磁脉冲电源电连接。
图5-图9示出了真空内逐束团电磁移相器所采用的移相器电磁铁50。其中，移相器电磁铁50采用单匝的励磁线圈（即整个线圈只有一匝），以尽可能的减小移相器磁铁的电感量，其配合上文所述的脉冲励磁电源，实现了励磁电流的大小的快速改变（即脉冲高重频的脉冲励磁工作模式），进而快速改变磁感应强度，进而快速调节电子束的相位。
如图5-图9所示，移相器电磁铁50包括彼此拼合以在两者之间形成一个中间通道的两个C型磁芯51、贯穿所述中间通道设置的单匝的励磁线圈52、套设于两个C型磁芯51的外部的金属外框53、以及导冷带54。导冷带54用于散热。
其中，移相器电磁铁50的长度方向是束团的传播方向，移相器电磁铁50的有效长度设计为500mm。两个C型磁芯51彼此拼合，以形成一个具有中间通道的窗型结构，中间通道是沿移相器电磁铁50的长度方向延伸的一个贯通通道。
如图9和图10所示，励磁线圈52具有沿移相器电磁铁50的长度方向贯穿所述中间通道设置的第一矩形铜棒521和第二矩形铜棒522，以及位于中间通道的外部且连接第一矩形铜棒521和第二矩形铜棒522的端部的线圈端部边框523。线圈端部边框523通过第一固定螺丝5231与第一矩形铜棒521和第二矩形铜棒522固定连接。由此，励磁线圈52的电流方向沿移相器电磁铁50的长度方向从中间通道一进一出，以形成单匝的励磁线圈，形成环形回路。励磁线圈52的电流方向如图9以及图10中的虚线箭头所示。相应形成的磁场方向如图9中的虚线箭头所示。
励磁线圈52还具有与所述励磁脉冲电源电连接的两个彼此间隔开的线圈接头524，两个线圈接头524之间设有绝缘与支撑件525。在本实施例中，两个线圈接头524共同设于第一矩形铜棒521的中间位置并与第一矩形铜棒521通过第三固定螺丝5241连接，使得第一矩形铜棒521在两个线圈接头524处断开。在本实施例中，采用10mm厚度的G10板作为两个线圈接头524之间的绝缘与支撑件525。两个线圈接头524之间的电压差最高1kV，为保证足够的耐压水平设计为间距10mm。
在其他实施例中，两个线圈接头524还可以共同设于第二矩形铜棒522的中间位置、或者设于线圈端部边框523处。
在本实施例中，如图9所示，两个C型磁芯51在垂直于移相器电磁铁50的长度方向的水平方向上相对设置（即左右相对设置），第一矩形铜棒521和第二矩形铜棒522在竖直方向上相对设置（即上下相对设置），第一矩形铜棒521和第二矩形铜棒522的电流方向分别是垂直于图9的纸面方向向里和垂直于图9的纸面方向向外。优选地，第一矩形铜棒521位于中间通道的顶部，且第二矩形铜棒522位于中间通道的底部，第一矩形铜棒521和第二矩形铜棒522的宽度等于中间通道的宽度，且线圈端部边框523具有与中间通道的宽度一致且与第一矩形铜棒521的底面和第二矩形铜棒522的顶面均齐平的束流开口。由此，中间通道中除去第一矩形铜棒521和第二矩形铜棒522的部分构成了束流通道520。
在本实施例中，如图9所示，中间通道（在除去第一矩形铜棒和第二矩形铜棒之前）的高度为30mm，中间通道的宽度（即束流通道的磁隙宽度Hap）为10mm，第一矩形铜棒521和第二矩形铜棒522的截面的尺寸为10mm×7mm的矩形。所述中间通道除去第一矩形铜棒和第二矩形铜棒后的高度（即束流通道的磁隙高度Vap）为16mm。每一块C型磁芯组件在移相器电磁铁50的长度方向上的厚度为10mm（即厚度垂直于图9的纸面方向），高度和宽度分别是50mm和15mm，49块C型磁芯组件在移相器电磁铁50的长度方向上依次排布，以共同构成总长度为490mm的C型磁芯51。
在本实施例中，第一矩形铜棒521和第二矩形铜棒522的材质为无氧铜。
采用单匝的励磁线圈的原因如下：
励磁线圈相当于电感负载，单匝的励磁线圈的总电感量L可通过公式（1）估算：
（1）
其中，μ0为真空磁导率，N为线圈匝数，本发明中N为1；H ap为磁隙宽度，在本实施例中为10mm；Vap为磁隙高度，在本实施例中为16mm。
由公式（1）可知，匝数的平方与线圈的电感量成正比关系，励磁脉冲电流源对线圈的电感量很敏感，电感量大的话，脉冲励磁的重复频率就不能太高。
根据上述公式（1），本发明设计的励磁线圈的电感量计算值为1.2 μH，因此能够满足励磁电流快速切换的要求。
此外，磁铁电感量还可以通过有限元软件分析计算，有限元软件计算的优点是线圈的模型更加精确，计算更加准确。Comsol软件计算线圈的电感结果为1.22μH。
所需的励磁电流I可通过公式（2）来计算：
（2）
其中，B为所需的磁感应强度，μ0为真空磁导率，N为线圈匝数（本发明中为1），I为励磁电流，Vap为磁隙高度。
移相器偏转角θ为：
（3）
其中，θ为移相器偏转角，E为粒子束能量，L为移相器磁铁有效长度，B为所需的磁感应强度，为粒子束速度。
由此，可以根据每一个束团所需的移相器偏转角θ，来确定相应的励磁电流I的大小。
线圈设计还需考虑的另一个问题是，上下两条励磁线圈互相存在于彼此的磁场（磁场方向如图9所示）中，从而受到力的作用。在本实施例中，利用Comsol计算该力的大小，对后续的设计提供参考。
如上文所述，两个C型磁芯51的外部套设有金属外框53，金属外框53用于使其内部的两个C型磁芯51拼合在一起，进而在两个C型磁芯51固定后将励磁线圈52卡在中间通道中。因此，能够通过金属外框53来克服励磁线圈52所受的力，实现实现磁芯及励磁线圈的固定。在本实施例中，金属外框53由两个对称的外框组件531组成，两个外框组件531的形状互补且彼此拼合，并且通过第二固定螺丝和固定孔55拧紧固定在一起。由此通过两个外框组件531对卡然后通过第二固定螺丝固定。
在现有技术中，常用的磁芯材料有合金类材料（硅钢、铁粉芯、非晶合金等）及铁氧体类材料（锰锌、镍锌、镁锌等），现有的电磁移相器通常采用永磁铁或者硅钢片材料。
对于本发明的真空内逐束团电磁移相器来说磁芯与线圈需要相邻且绝缘，且磁场的性质为脉冲高频。因此合金类不满足绝缘特性，使用合金类要另外采取绝缘措施，铁氧体具有良好的绝缘属性，因此为了满足高频应用，C型磁芯51优选为采用高频特性更好的镍锌铁氧体材料。
此外，磁芯的选择要不使磁芯饱和，否则磁芯的饱和会使损耗增大。因此，在本发明中，在选择磁芯材料时，还要满足最大磁通密度的需求。在本实施例中，C型磁芯51优选为采用DN5H镍锌铁氧体材料，从而满足了最大磁通密度的要求。在本发明中，需要满足的最大磁通密度在50-80高斯之间。
在现有技术中，对于铁氧体磁芯的结构，有不开口的窗型结构，L型及C型三种基本的组成方案。对于不开口的窗型结构的磁芯来说，可以最好的保证磁铁间隙的好场区，但是加工难度稍大，另外选择窗型结构磁芯需要线圈采用拼装的结构才能配合安装。对于L型和C型的磁芯来说，区别在于开口缝隙的位置。在本发明中，优选为采用C型磁芯，因此磁铁中心处的场强更均匀。具体来说，由L型磁芯组成具有中间通道的窗型结构时，气隙更靠近磁铁中心，导致磁铁中i性能场强分布更加不均匀，而C型磁芯组成窗型结构的气隙远离磁场中心，因此C型磁芯磁场中心场强分布更好。
本发明的真空内逐束团电磁移相器的散热设计如下：
移相器电磁铁50的功耗主要有两部分，励磁线圈在高频作用下趋肤效应引起的功耗及磁芯的功耗。由于移相器电磁铁50安装在真空室40中，因此功耗和散热的问题需要特殊设计。
在本实施例中，移相器电磁铁50的励磁线圈52采用直径10mm×7mm矩形铜棒制成。在本实施例中，励磁脉冲电源所提供的脉冲电流的频率取1MHz，脉冲电流的占空比取0.5；励磁线圈52的总长度取1.5m；计算得到励磁线圈的电阻功耗约为20W。在其他实施例中，励磁脉冲电源的励磁电流的频率范围0-1MHz，脉冲电流的占空比0-0.5，均是可行的。
磁芯功耗主要是磁滞损耗，每单位体积的磁芯经一循环，磁芯中的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积，这一能量转化为热能。在高真空中不考虑热辐射，产生的热量一方面沿励磁线圈52传递到真空室40外，另一方面通过与励磁线圈52接触的C型磁芯51及C型磁芯51外的金属外框53传导出来。
如图6所示，所述导冷带54的数量为至少一个，其一端与金属外框53相连，另一端与真空室40的内壁相连，从而将励磁线圈52及C型磁芯51的功耗传到到真空室40的外壁。导冷带的材料优选为导热系数高的铜。
综上，本发明的真空内逐束团电磁移相器其移相器电磁铁采用单匝的励磁线圈，以尽可能的减小移相器磁铁的电感量，其配合脉冲励磁电源，实现了励磁电流的大小的快速改变，进而快速改变磁感应强度，进而快速调节电子束的相位。此外，本发明采用铁氧体材料作为磁芯以解决高频励磁下的涡流损耗问题，并且通过导冷带解决高频励磁下的励磁线圈及磁芯的热功耗问题。
本发明的真空内逐束团电磁移相器将传统移相器的真空外永磁铁或者直流电磁铁更改为真空内脉冲磁铁，该移相器磁铁基于脉冲励磁工作方式，通过脉冲励磁电流源的高重复频率工作和快速调节能力，实现移相器逐束团移相能力的快速切换，因此移相器相较于传统的电磁移相器具有工作频率高，切换速度快等优点。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种真空内逐束团电磁移相器，其特征在于，包括真空室，以及置于真空室内部的移相器电磁铁；所述移相器电磁铁采用单匝的励磁线圈，且所述移相器电磁铁通过真空穿墙件电极接口与真空室外部的励磁脉冲电源电连接。
2.根据权利要求1所述的真空内逐束团电磁移相器，其特征在于，所述移相器电磁铁包括彼此拼合以在两者之间形成一个中间通道的两个C型磁芯，单匝的励磁线圈贯穿所述中间通道设置。
3.根据权利要求2所述的真空内逐束团电磁移相器，其特征在于，所述励磁线圈具有沿移相器电磁铁的长度方向贯穿所述中间通道设置的第一矩形铜棒和第二矩形铜棒，位于中间通道的外部且连接第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的端部的线圈端部边框，以及与所述励磁脉冲电源电连接的两个彼此间隔开的线圈接头。
4.根据权利要求3所述的真空内逐束团电磁移相器，其特征在于，两个线圈接头之间设有绝缘与支撑件；和/或
两个线圈接头共同设于第一矩形铜棒的中间位置、第二矩形铜棒的中间位置、或者设于线圈端部边框处。
5.根据权利要求3所述的真空内逐束团电磁移相器，其特征在于，两个C型磁芯在垂直于移相器电磁铁的长度方向的水平方向上相对设置，第一矩形铜棒位于中间通道的顶部，且第二矩形铜棒位于中间通道的底部，第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的宽度等于中间通道的宽度，且线圈端部边框具有与中间通道的宽度一致且与第一矩形铜棒的底面和第二矩形铜棒的顶面均齐平的束流开口。
6.根据权利要求4所述的真空内逐束团电磁移相器，其特征在于，所述中间通道除去第一矩形铜棒和第二矩形铜棒后的高度为16mm，中间通道的宽度为10mm，第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的截面的尺寸为10mm×7mm的矩形；每一块C型磁芯组件在移相器电磁铁的长度方向上的厚度为10mm，49块C型磁芯组件在移相器电磁铁的长度方向上依次排布，以共同构成总长度为490mm的C型磁芯。
7.根据权利要求3所述的真空内逐束团电磁移相器，其特征在于，第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的材质为无氧铜，所述C型磁芯采用DN5H镍锌铁氧体材料；和/或
所述励磁脉冲电源的励磁电流的频率范围0-1MHz，脉冲电流的占空比0-0.5。
8.根据权利要求1所述的真空内逐束团电磁移相器，其特征在于，所述移相器电磁铁还包括套设于两个C型磁芯的外部的金属外框和导冷带，所述导冷带的一端与金属外框相连，另一端与真空室的内壁相连。
9.根据权利要求1所述的真空内逐束团电磁移相器，其特征在于，所述真空室的左右两侧设有至少一个观察窗；和/或
所述真空室前后两侧设有束流连通连接法兰，并通过所述束流连通连接法兰与上下游的真空管道连接。
10.根据权利要求1所述的真空内逐束团电磁移相器，其特征在于，还包括磁铁支架；以及
安装于磁铁支架上的磁铁调整支架，所述真空室安装于磁铁调整支架上，和/或
安装于磁铁支架上的离子泵，所述真空室与离子泵连通。
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