Development of a Cryogenic Permanent Magnet Undulator at the ESRF

189 Pages·2009·7.87 MB·French

by  Kitegi, Charles

EUROPEAN SYNCHROTRON RADIATION FACILITY
UNIVERSITE JOSEPH FOURIER – GRENOBLE

Development of a Cryogenic Permanent Magnet
Undulator at the ESRF

Thèse
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0 Pour obtenir le grade de docteur de l’Université Joseph Fourier
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Discipline : Instrumentation
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- Présentée et soutenue publiquement par

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n Charles Kitegi
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si Le 18 décembre 2008
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3 Composition du Jury
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Johann Collot Président
Marie-Emmanuelle Couprie Rapporteur
Jean-Michel Ortega Rapporteur
Joël Chavanne Co-directeur
Dominique Givord Membre du jury
David Lunney Membre du jury
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Abstract

In 2004, at SPring-8, Toru Hara proposed a new concept of undulator with a short period and a
high field: the Cryogenic Permanent Magnet Undulator (CPMU). The purpose of this concept is to
cool Nd Fe B magnets at 150 K. This cooling allows magnets which have a higher remanence to be
2 14
used, up to 40% higher than that of the magnets traditionally used in undulators.
In order to assess the technological possibility of producing such undulator, a 2 m long undulator
with a 18 mm period has been proposed at the ESRF. This piece of work presents the design and the
construction of this CPMU at the ESRF. First a magnetic model of the CPMU is introduced; it is based
on measurements of the magnetization curve at cryogenic temperature performed at the Louis Néel
Laboratory. This model forecasts an increase of the peak field of 8% and of the field integral of 0.2
Gm at around 150 K. A unique magnetic measurement bench has been developed at the ESRF. This
9 bench allows both the in vacuum local field and field integral to be measured. Its design and
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0 construction are presented. Finally we have reviewed the measurements at room and cryogenic
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temperature. These measurements are in agreement with the magnetic model.
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Remerciements

Ce travail a été effectué à la Facilité Européenne de Rayonnement Synchrotron (ESRF) dans le
groupe élément d’insertions, sous la direction de Pascal Elleaume et de Joël Chavanne. Ils m’ont
donné l’opportunité de participer à un projet innovant, ce qui a été très excitant. Leur présence, leurs
conseils et leurs encouragements pendant ces années passées à l’ESRF, ont été indispensable pour
mon apprentissage de la mesure magnétique et de la correction d’éléments d’insertion. Pour tout cela,
je les remercie.
De nombreuses personnes ont apporté leurs compétences et permis le succès du projet. Je les
remercie profondément : les magnéticiens (Joël Chavanne, Christophe Penel), les vidistes (Dominique
Cognie, Michel Garrec, Michael Han, Roberto Kersevan), les cryogénistes (Michel Rossat et Franck
Revol), le bureau d’étude (Damien Coulomb, Loïs Goirand, Bernard Plan, Bernard Ogier) et l’équipe
magnétométrie du laboratoire Louis Néel (Do). L’aimable collaboration de chaque intervenant a été
très enrichissante tant scientifiquement que humainement.
9
0 Un grand merci à Philippa Gaget et Anne Dely pour le temps passé à corriger l’anglais de mon
0
2 manuscrit et leur précieuse aide dans l’organisation de ma soutenance.

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e Je tiens à remercier tout particulièrement le président du jury de thèse Johan Collot, les rapporteurs
S
Marie-Emmanuelle Couprie et Jean Michel Ortega pour leur implication et leur méticulosité dans la
2
- lecture du manuscrit. Un merci chaleureux à Dominique Givord et David Lunney, j’ai été très honoré

1
de leur participation au jury de thèse.
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si Cette aventure et la vie à Grenoble n’aurait pas été aussi sympathique sans la présence des gens du
er labo en particulier : Bertrand Cottin, Alexandra Flaven Bois, Nicolas Guillotin, Claude Joan, Fouhed
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Taoutaou, Thomas Perron, Reynald. Ils ont toujours été là en cas de coups durs !
,
2
1 Enfin je remercie mes proches et ma famille pour leur soutien. Je tiens en particulier à rendre
0
3 hommage à Claire Marty pour son amour et son aide précieuse durant toutes ces années. Elle a partagé
1
4 tous mes moments de doute. Sans sa présence à mes cotés, le chemin aurait été encore plus tortueux.
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Table of contents

EUROPEAN SYNCHROTRON RADIATION FACILITY ............................................................ 0
UNIVERSITE JOSEPH FOURIER – GRENOBLE ........................................................................ 0
Thèse ................................................................................................................................................. 0
Présentée et soutenue publiquement par ........................................................................................... 0
Composition du Jury ......................................................................................................................... 0
1. Introduction ........................................................................................................................... 10
2. Properties and use of Insertion devices ................................................................................. 14
2.1. Synchrotron radiation .................................................................................................... 14
2.1.1. Origin of the Synchrotron radiation........................................................................... 14
2.1.2. SR characterization .................................................................................................... 17
2.2. Synchrotron radiation emitted in ID .............................................................................. 21
2.2.1. Bending magnet and wiggler radiation ...................................................................... 21
2.2.2. Undulator radiation .................................................................................................... 24
9 2.3. Magnetic properties of ID ............................................................................................. 28
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0
2 2.3.1. Field integrals ............................................................................................................ 29

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e 2.3.2. Phase error ................................................................................................................. 32
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2 2.4. Technology .................................................................................................................... 36

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1 2.4.1. Permanent magnets .................................................................................................... 36

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o 2.4.2. Insertion device technology ....................................................................................... 40
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e 2.4.3. Field computation ...................................................................................................... 42
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2, 2.4.4. Magnetic field measurement and correction ............................................................. 52
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0 2.4.5. Magnetic field shimming ........................................................................................... 57
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1
4 3. Design of a CPMU ................................................................................................................ 62
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- 3.1. Need for a CPMU and design consideration ................................................................. 62
el
t 3.1.1. Short period/high field undulator .............................................................................. 62
3.1.2. CPMU technological consideration ........................................................................... 64
3.2. Numerical magnetostatic model of the CPMU .............................................................. 70
3.2.1. Magnetic properties of the Nd Fe B compound ....................................................... 70
2 14
3.2.2. Magnetization curves of 495t NEOREM magnet ...................................................... 75
3.2.3. Nd Fe B cryogenic undulator ................................................................................... 81
2 14
3.3. An approach on thermal analysis of the CPMU ............................................................ 85
3.3.1. Description of the thermal model .............................................................................. 86
3.3.2. Heating sources ......................................................................................................... 88
3.3.3. Thermal flux through spacers .................................................................................... 92
3.4. Effects of temperature on the CPMU ............................................................................ 97
3.4.1. Gap opening at low temperature ................................................................................ 97
3.4.2. Contraction of the magnetic assembly..................................................................... 100
3.4.3. Temperature gradient and CPMU performance ...................................................... 101

6
4. HYB18 assembly and correction at ambient temperature ................................................... 108
4.1. Magnetic errors in undulators ...................................................................................... 108
4.2. HYB18 assembly ......................................................................................................... 113
4.3. HYB18 correction ....................................................................................................... 117
4.3.1. ESRF methodology ................................................................................................. 117
4.3.2. HYB18 field integral correction .............................................................................. 120
4.3.3. RMS Phase error correction .................................................................................... 125
5. HYB18 performance at cryogenic temperature ................................................................... 128
5.1. In vacuum measurement bench ................................................................................... 128
5.1.1. Field integral bench measurement ........................................................................... 129
5.1.2. Local field measurement bench ............................................................................... 130
5.1.3. Thermal contraction diagnose system ..................................................................... 136
5.2. HYB18 measurement at cryogenic temperature .......................................................... 141
5.2.1. HYB18 cooling ........................................................................................................ 141
5.2.2. Measurements of the HYB18 field integrals at cryogenic temperature .................. 144
9
0
0 5.2.3. HYB18 local field measurement ............................................................................. 147
2

p 6. Conclusion ........................................................................................................................... 152
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7. Reference ............................................................................................................................. 154
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- Appendix A The 10 T magnetometer ....................................................................................... 160
1

n A.1 Principle of the magnetometer ..................................................................................... 160
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r A.1.1 Magnetometer overview.............................................................................................. 160
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A.1.1 Pick-up coils ................................................................................................................ 161
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0 Appendix B Heat transfer ........................................................................................................ 164
3
1 B.1 Heat transfer by radiation ............................................................................................ 164
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0 B.1.1 Emissive and absorbing properties of real surfaces .................................................... 164
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B.2 Forced heat convection in a circular tube .................................................................... 165
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Appendix C Heat transfer measurement .................................................................................. 168
C.1 Total thermal flux ........................................................................................................ 168
C.2 Thermal flux through a spacer ..................................................................................... 168
Appendix D Measurement of the rail deflection ...................................................................... 172
D.1 Angle measurement ..................................................................................................... 172
D.2 Straightness measurement ........................................................................................... 173
D.3 Experimental setup ...................................................................................................... 174
Appendix E Measurement and control of the temperature ...................................................... 176
E.1 Thermal sensor ................................................................................................................ 176
E.1.1 Control of the CPMU temperature .............................................................................. 178
E.1.2 Junction inversion in K thermocouples ....................................................................... 179
Appendix F Traduction et résumé des chapitres ..................................................................... 182
F.1 Résumé ............................................................................................................................ 182

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F.2 Chapitre 1: Introduction .................................................................................................. 182
F.3 Chapitre 2: Propriétés et utilisation des éléments d’insertion ......................................... 186
F.4 Chapitre 3: Design d’un CPMU ...................................................................................... 186
F.5 Chapitre 4: Assemblage et correction de l’HYB18 à température ambiante ................... 186
F.6 Chapitre 5: Performance de l’HYB18 à basse température ............................................. 187
F.7 Chapitre 6: Conclusion .................................................................................................... 187

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