Uma nova técnica para detecção de danos por radiação em onduladores de magnetos permanentes de abertura variável baseada em medições magnéticas locais

Orientador: José Antenor PomilioTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Desde os anos 70, aceleradores de partículas do tipo "anel de armazenamento" e "laser de elétrons livres'" utilizam complexos arranjos magnéticos denominados onduladores como fonte de intensa radiação eletromagnética. Tais dispositivos criam um campo magnético com polaridades alternadas, forçando feixes de elétrons relativísticos a ondular e produzir fótons de alto brilho. Os sistemas de onduladores atualmente em operação são, em sua maioria, feitos com magnetos permanentes. A desmagnetização de magnetos permanentes devido à exposição à radiação causa redução do campo magnético, o que afeta o desempenho do ondulador. Em alguns casos, é necessário remover o ondulador da instalação para inspeção e reparos em um laboratório de medições magnéticas, o que é caro e consome tempo. Além disso, a alta densidade de equipamentos nas proximidades dos onduladores em operação torna difícil a instalação de estágios para movimentar sensores de medição de campo magnético da mesma forma que um laboratório dedicado o faz. Técnicas baseadas na medição das características do feixe de fótons têm sido aplicadas para avaliar a qualidade do campo magnético de onduladores sem removê-los das instalações. Apesar de promissora, a precisão dessas técnicas é limitada às incertezas de energia dos elétrons e ângulo de observação. Ademais, é necessário o acesso irrestrito aos sistemas de controle e aquisição de dados. Esta tese apresenta a proposta, o desenvolvimento e os primeiros testes de uma nova técnica de detecção de danos por radiação baseada em medições locais de campo magnético. Através da variação da abertura do ondulador, o sistema proposto mede a variação de fluxo magnético através da tensão induzida em uma bobina flexível de circuito impresso posicionada sobre o conjunto inferior de magnetos. A redução do fluxo magnético será proporcional aos danos provocados nos magnetos, assumindo que a abertura do ondulador sempre varia de forma constante. Os testes foram realizados em um ondulador de magnetos permanentes híbrido de abertura variável que será utilizado no novo Linear Coherent Light Source (LCLS-II). O sistema detecta mudanças no campo de polos individuais na ordem de 3 mT. Medições ininterruptas realizadas durante oito dias demonstraram um erro relativo de aproximadamente 70 ppm para um sinal de alguns décimos de Volt-segundos. Para testar os voltímetros utilizados para medir variação de fluxo magnético, foi desenvolvido um circuito de verificação de alta precisão que gera pulsos com estabilidade melhor do que 50 ppm relativos à amplitude do sinal integrado de referência medido com a bobina. O circuito combina elementos de comutação rápida e precisa com tensões de referência de baixo ruído. Testes de reprodutibilidade confirmaram que o sinal de saída é invariante sob pequenas variações da fonte de alimentação e desligamento. Apesar de preliminares, os resultados são encorajadores: O novo sistema de detecção de danos por radiação estabelece as bases para desenvolvimentos futuros relacionados a sensores magnéticos para monitorar a qualidade de campo dos onduladores sem removê-los da instalação. Além disso, instrumentos e aplicações destinadas a medir campo magnético através de sinais integrados podem utilizar o mesmo sistema de verificação proposto para propósitos de testeAbstract: Since the 1970s, storage rings (SR) and free-electron lasers (FEL) facilities use complex magnetic structures named undulators as a source of intense electromagnetic radiation. Such devices produce high brightness beams of photons by bending high-energy electrons back and forth through alternating polarity magnetic fields. Most of the undulator systems currently installed in SR and FEL facilities worldwide are permanent magnet-based. The demagnetization of permanent magnet materials due to radiation exposure causes loss of field strength, which disturbs the undulator's performance. In some cases, it is necessary to remove the undulator from the facility for inspection and repair it in a magnetic measurement laboratory, which is costly and time-consuming. Also, the dense pack of components near the undulator makes it challenging to set stages to move probes around for magnetic measurements as a specialized laboratory does. Techniques based upon measuring the photon beam characteristics have been used to evaluate undulators' magnetic field quality without removing them from the undulator hall. Although promising, the precision of these techniques is limited to the uncertainties of electron beam energy and observation angle. Besides, full access to the control and data acquisition systems is required. This thesis presents the proposal, the development, and the first tests of a new technique for diagnosing radiation damage based on in situ magnetic measurements. The proposed system measures the magnetic flux change in a flexible printed-circuit coil attached to the lower undulator magnet array by periodically opening and closing of the undulator gap and by measuring the induced voltage. The magnetic flux change will decrease proportionally to the magnet block damage, assuming that the gap always changes by the same amount. The tests were performed on variable-gap permanent-magnet hybrid undulators for the new Linear Coherent Light Source (LCLS-II). The system proved to be capable of detecting local pole field changes on the order of 3 mT. Long-term uninterrupted measurements performed during eight days showed an error of approximately 70 ppm relative to a signal of a few tenths of Volt-second. To test the voltmeter's, we developed a high-precision verification circuit capable of generating a reference voltage pulse with voltage-time integral stability better than 50 ppm relative to the reference integrated signal strength of the flexible coil. The circuit's design combines a fast and precise switch with a low-noise voltage reference. Reproducibility tests confirmed that the circuit's output is invariable under small power supply instabilities and equipment shutdown. Although preliminary, the results are encouraging: The novel radiation damage detection system lays the groundwork for future development into magnetic measurements-based sensors dedicated to monitoring undulators' field quality without removing the segments from the tunnel. Additionally, instruments and applications designed to quantify the magnetic field by integrating induced voltage signals may use the same proposed verification system for testing purposesDoutoradoEnergia ElétricaDoutor em Engenharia Elétrica140989/2015-388881.134183/2016-1CNPQCAPE