Metrologie Magntique des Multipoles Anneau du Synchrotron SOLEIL

Metrologie Magnétique des Multipoles Anneau du Synchrotron SOLEIL A. Dael, P. Brunelle 1, C. Benabderrahmane, F. Marteau, A. Madur , L. Bouillie², M. Soucaze², P. Berteaud, L. Dubois , M. Girault , F. Paulin, J. Veteran, Groupe Magnétisme & Insertions, 1 Groupe Physique Machine ² Groupe Conception Ingenierie Synchrotron SOLEIL, Saclay, FRANCE Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Besoins de la Physique Machine Quadripôles ü Contenu harmonique du champ magnétique produit par les aimants ü Position de l’axe magnétique: +/- 25µm dans le plan transverse (x, z) ü Orientation angulaire des quadripôles: +/- 0. 1 mrad autour de l’axe s ü Correction des défauts Sextupôles ü Vérifier les mesures harmoniques Définition des axes x z s ü Vérifier le centrage Direction du faisceau Une solution : Un outil de mesures magnétique précis … BMS = Banc de Mesures Magnétique Multipolaire SOLEIL Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Paramètres généraux Quadripôles: Sextupôles: Nb: 160 (128+32) Nb: 120 (88+32) Longueur: 320 mm ; 460 mm Longueur: 160 mm Diamètre: 66 mm Diamètre: 73 mm Harmoniques < 5. 10 -4 Axe mag. : +/- 30µm ; Axe mag. : +/- 25 µm ; +/- 0. 1 mrad +/- 0. 3 mrad Objectifs Stabilité des mesures (6 mois) Mesurer les harmoniques à 10 -4 près Mesurer la position de l’axe mag. à 10 µm près Mesurer l’orientation de l’axe mag à 20 µrad près Optimiser expérimentalement le B 6: chanfreins Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Organisation des mesures Salle climatisée à 21°C Même poutre que celle de l’anneau de stockage Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Quelques formules A ; z avec Bm Cm Am z cyl. wedges s x A AA rect. wedge x * [1]: W. G. Davies, “The theory of the measurement of magnetic multipole fields with rotating coil magnetometers, ” Nuclear Instruments & Methods in physics research, vol. A 311, pp. 399– 436, July 1991. [2]: A. K. Jain, “Harmonics coils, ” CERN Accelerator School on Measurements and Alignment of Accelerator and Detector magnets, vol. 98 -05, pp. 175 -213, April 1997. [3]: L. Bottura, “Standard analysis procedures for field quality measurements of the LHC magnets-Part I: Harmonics”, LHC-MTA-IN-97 -007, revised on 2001. Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Conception du capteur Objectifs : Limiter la flèche Eviter les harmoniques inattendus Minimiser la torsion Minimiser les erreurs sur l’angle Dmax = 64 mm, Dpôles= 66 mm Pour ne pas perdre d’information Principe: Découpler chaque objectifs Struct. FR 4 Coquilles fibre de carb. Circ. imprimés Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Conception du banc : positionnement Des interfaces “V”/cylindre ont été utilisées pour assurer les contacts mécaniques Garantit : * reproductibilité du positionnement mécanique * transmission mécanique de la position angulaire Positionnement du capteur : transmission mécanique du positionnement angulaire: Encodeur Rotatif Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Conception de banc : Maîtrise de l’angle Position angulaire ? Encodeur rotatif Heidenhain : 720000 points par tour -> 10 µrad de précision Référence Angulaire ? trait plan point Interface Trait/Point/Plan Niveau à bulle 20 µrad/div Reproductibilité positionnement du niveau = 2 pas encodeur = 20 µrad Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Mesure des imperfections Multipoles de référence en aimants permanents Imperfections mesurées : Dxbanc = 60 µm ; Dzbanc = 22 µm ; Dqsensor = -7. 84 mrad Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Résultats : Reproductibilité Essai n° 1: Reproductibilité du capteur seul Conditions: Quadripôle monté 1 seule fois Série de 10 mesures sans démonter le capteur Résultats Dp-pgradient = 4 µT. m Dp-pharm = 0. 15 10 -4 Dp-px = 1µm Dp-pz = 0 µm Dp-pq = 3 µrad Essai n° 2: Reproductibilité du protocole de mesure Conditions: Série de 10 mesures Application du protocole de mesure réel = mont. /dem. Capt + Qp Résultats Dp-pharm = 2. 10 -4 Dp-px = 15 µm Dp-pz = 10 µm Dp-pq = 45 µrad + détermination ref angulaire Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Résultats : Harmoniques Stat. finales: harmoniques attendus Stat. finales: harmoniques inattendus Homogéneité du gradient dans le plan transverse Chamfreins amovibles Roscoff 2005, A. Madur Chambre à vide Removable chamfers Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Résultats : Centrage Avant centrage: Après centrage: z(µm) Comparaison: x(µm) Avant centrage Après centrage Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Conclusion Ont été développés à SOLEIL: Un banc complet dédié la mesure magnétique de multipôle Des outils permettant de déterminer les imperfection du banc Il est possible de mesurer les harmonique à qq 10 -4 près, de localiser l’axe magnétique des multipôles à +/- 25µm, et de connaître son orientation à +/- 0. 1 mrad près Les résultats obtenus sont très encourageants… mais seul le commissioning validera notre travail. Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Multipole S. R. General Parameters (1) Total number (short + long) / prototypes / spares 160 (128 + 32) / 2 Magnetic length (m) (short; long) 0. 32 m ; 0. 46 m Bore diameter (mm) 66 mm Max. Gradient (nominal point): short; long 20 T/m ; 23 T/m ± 35 mm / ± 12. 5 mm Good field region (mm): H / V Number of families 10 Tolerances : 1 10 -3 Reproducibility from magnet to magnet ( DòGdl/òGdl) Alignment on the girder : s. X = s. Z (µm) ; sq. S (mrad) 25 µm ; 0. 1 mrad Alignment of the girder : s. X = s. Z (µm) ; sq. S (mrad) 100µm ; 0. 2 mrad Homogeneity (òDBdl / òBdl) @ x = 30 mm: Tolerances Design (short) Design (long) 12 -poles* 5. 4 10 -4 + 0. 2 10 -4 - 0. 8 10 -4 20 -poles 2. 9 10 -4 + 1. 4 10 -4 + 1. 8 10 -4 28 -poles 1. 6 10 -4 + 0. 7 10 -4 + 1. 7 10 -4 * Cancelled using 45° chamfer : 4. 4 mm width for short quadrupoles and 4. 6 mm width for long quadrupoles Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL

Multipole S. R. General Parameters (2) Number: compact/with ears for photon beamline/prototype/spare 88 / 32 / 2 Magnetic length (m) 0. 16 m Bore diameter (mm) 73 mm ± 35 mm / ± 12. 5 mm Good field region (mm) : H / V Number of families 10 Max. Strength: S(main field) 320 T/m² Max. Field (T) for Dipolar correctors: Horiz. / Vert. 0. 046 T / 0. 035 T Max. gradient for Skew Quadrupoles 0. 126 T/m Tolerances: Reproducibility from magnet to magnet (DòSdl/òSdl) (main field) Alignment on the girder : s. X = s. Z (m) ; sq. S (rad) Alignment of the girder : s. X = s. Z (m) ; sq. S (rad) 1 10 -2 30 µm ; 0. 2 mrad 100µm ; 0. 2 mrad Homogeneity (òDBdl / òBdl) @ x = 32 mm: Sextupolar main field Tolerances Design 18 -poles ± 3 10 -3 - 3. 5 10 -4 (after chamfer optimization) 30 -poles ± 1. 7 10 -3 - 7. 5 10 -4 42 -poles ± 1. 0 10 -2 - 2. 1 10 -3 54 -poles ± 3 10 -3 7 10 -5 Roscoff 2005, A. Madur Métrologie Mag. des multipôles de l’anneau de SOLEIL