Optimització del procés de construcció d'un ondulador d'imants permanents per a una font de llum sincrotró

Abstract

Aquesta tesi és un treball d’investigació sobre les inhomogeneïtats dels imants permanents que es fan servir per construir dispositius d’inserció en fonts de llum de sincrotró, en especial onduladors. El treball té dos objectius. En primer lloc, intentar modelitzar l’efecte d’aquestes inhomogeneïtats en els camps magnètics generats pels imants. Principalment s’ha estudiat les seves característiques magnètiques a partir de mesures directes dels blocs, i hem focalitzat l’estudi en les inhomogeneïtats de les components minoritàries del vector magnetització, ja que aquestes representen una de les més grans limitacions en el rendiment dels dispositius d’inserció. En segon lloc, a partir de la mesura d’aquestes característiques magnètiques, el treball s’ha centrat en la manera en que es poden minimitzar els efectes de les inhomogeneïtats als dispositius d’inserció. Normalment, això es fa a través d’una ordenació determinada dels blocs que compensi els errors generats per les inhomogeneïtats. En aquesta part s’han aplicat els mètodes numèrics d’optimització de funcions multivariants. En una primera part es descriu tot l’equip experimental que s’ha usat per fer les mesures magnètiques i mecàniques dels blocs i on s’explica com s’han caracteritzat tots els bancs del laboratori de dispositius d’inserció del sincrotró Alba, determinant l’error associat a cadascun d’ells. Els blocs magnètics individuals, que són els qui formen l’estructura magnètica global de l’ondulador, s’han mesurat amb unes bobines Helmholtz per a obtenir el vector magnetització. Amb aquests resultats, i aplicant un algorisme que minimitzi la component principal de camp, s’han agrupat els imants en grups (mòduls) d’ 1 (singlets) o 3 blocs (triplets). Aquests mòduls s’han mesurat amb bancs de mesura basats en el principi d’inducció de Faraday per determinar la seva signatura, és a dir, la dependència transversal de la integral de camp. Novament, aplicant un algorisme que minimitzi la primera integral de camp total del dispositiu, s’ha determinat l’ordre dels mòduls dins de l’estructura magnètica global. En una segona part, es descriuen els fonaments teòrics que permeten crear models matemàtics dels imants i que permeten implementar programes per ajustar models morfològics parametritzats d’inhomogeneïtats, com també optimitzar l’ordenació dels blocs i optimització final dels dispositius d’inserció. L’objectiu en aquesta segona part ha estat l’elaboració d’un algorisme que permeti construir segments d’ondulador amb baix error a partir d’imants amb un cert grau d’inhomogeneïtat. Finalment, el treball s’ha centrat en fer un seguiment in-situ del muntatge i verificar que les prediccions fetes en base a aquest model tenen una gran concordança amb les mesures experimentals.

This thesis is a research work on the inhomogeneities of permanent magnets that are used to construct insertion devices in synchrotron light sources, especially undulators. The work has two objectives. First, try to model the effect of these inhomogeneities in the magnetic fields generated by magnets. Mainly we studied their magnetic characteristics from direct measurements of the blocks, and we have focused the study of inhomogeneities in the minority components of the magnetization vector, as these are one of the biggest limitations in the performance of the insertion devices. Secondly, based on the measurements of these magnetic characteristics, work has focused on how you can minimize the effects of inhomogeneities in the insertion devices. This is typically done through a specific arrangement of the blocks to compensate errors caused by the inhomogeneities. In this part, numerical methods have been applied multivariate optimization functions. In the first part of the thesis is described all experimental equipment that has been used to make the measurements magnetic and mechanical of blocks and where explains how to have been characterized all the benches of the insertion devices laboratory at Alba synchrotron, determining the error associated with each of them. The individual magnetic blocks, which are the ones that form the whole structure of the undulator have been measured with Helmholtz coils to get the magnetization vector. With these results, and using an algorithm that minimizes the main component of the field, magnets are grouped into groups (modules) of 1 (singlets) and three blocks (triplets). These modules have been measured with benches based on the principle of Faraday's induction to determine the signature, that is, the transversal dependence of the integral field. Again, using an algorithm that minimizes the total field integral of the device, the order of the modules within the overall magnetic structure has been determined. The second part describes the theoretical foundations that create mathematical models for magnets and allow implementing programs to fit parameterized models of morphological inhomogeneities, and optimize the magnet sorting and the final optimization of the insertion devices. The aim of this second part was the preparation of an algorithm that allows building segments of undulators with low error using magnets with a certain degree of inhomogeneity. Finally, we focused on in-situ monitoring of assembly in order to verify that the predictions made based on this model are very consistent with the experimental measurements.