Este trabalho apresentou os conceitos teóricos e experimentais da Técnica de Bobina Girante, ilustrados na prática através de duas bancadas desenvolvidas pelo Grupo de Magnetos do LNLS para caracterização magnética dos magnetos na nova fonte brasileira de luz síncrotron Sirius. Uma série de ajustes foi realizada no sistema oficial de medição, a bancada BGL, num trabalho constante que sempre objetiva ter a disposição um sistema rápido, acurado e preciso para caracterização magnética. A segunda bancada foi um sistema protótipo de medição baseado numa bobina com dimensões reduzidas, a bancada MBG.
A seguir, um resumo das principais alterações feitas na bancada BGL e as respectivas melhorias obtidas.
1) Substituição da bobina de estrutura de TVE pela bobina com estrutura cerâmica (Seção 3.2)
Pela precisão construtiva da bobina de estrutura cerâmica (da ordem de 5 µm), a acurácia na determinação dos coeficientes multipolares foi melhorada consideravelmente. O resultado comparativo praticamente coincidente entre a medida do dipolo de calibração tipo “C” obtida da bancada Hall e a bancada BGL (para a nova bobina) apresentada na Figura 3.15 é o melhor indício de que o sistema apresenta boa acurácia.
Como muitos componentes da bobina ficam expostos, foi possível realizar ajustes nas roldanas da bobina e demais parafusos para correções angulares. Isto permitiu homogeneizar a superfície da bobina, contribuindo também para a acurácia do posicionamento angular.
2) Substituição do encoder de leitura do posicionamento angular da bobina (Seção 3.1)
Com a instalação do novo encoder angular (Heidenhain RON 275) foi possível uma resolução de 17,5 µrad, no posicionamento angular da bobina. Consequentemente, a redução do offset angular fica facilitada, pois não são necessários ajustes nos parafusos nos extremos da bobina. Este procedimento, realizado antigamente, aumentava o tempo de uma medição devido ao tempo despendido na calibração, além de prejudicar a acurácia do posicionamento angular.
110
3) Construção do dipolo de calibração de magneto permanente tipo “C” (Seção 3.3)
Em relação aos dipolos utilizados antigamente para a calibração da posição angular da bobina, o dipolo tipo “C” de imã permanente apresentou algumas vantagens. Mesmo sendo fabricado com magneto permanente (NdFeB), a intensidade do campo no gap é comparável aos eletroímãs utilizados. O fato de não ser necessário fontes estáveis de corrente é outro ponto forte. Devido às dimensões reduzidas e o formato “C”, o mapeamento ao longo da bobina é facilitado, já que não é necessária a desmontagem da bobina para o posicionamento do dipolo na bancada. Consequentemente, o tempo de calibração e ajustes da bobina é reduzido. O peso reduzido, em comparação com os demais dipolos, também é outra facilidade.
4) Instalação de travas mecânicas para a estrutura suporte da bobina (Seção 3.4.1)
Pequenas travas mecânicas com molas instaladas nos extremos de fixação da bobina contribuíram para garantir que o movimento de giro ou que a montagem e desmontagem da bobina não alterassem o posicionamento angular da bobina. A repetibilidade do offset angular alcançado com isto foi menor que 12 µrad. Hoje, o offset angular está garantido em menos de 60 µrad. Estes valores atendem com folga a especificação de posicionamento angular dos magnetos na fonte Sirius.
Repetibilidade das componentes multipolares do quadrupolo protótipo do Booster
A resolução do sinal de leitura do integrador (0,763 µV) assegura que a repetibilidade dos multipolos de interesse na caracterização seja alta, conforme foi possível averiguar no conteúdo multipolar do quadrupolo protótipo do Booster (Seção 3.4.2). A incerteza relativa do módulo da componente quadrupolar apresentado nos resultados das figuras 3.19 e 3.20 foi menor que 2 partes em 100000.
***
A principal dificuldade encontrada atualmente na bancada BGL foi a componente sextupolar elevada nas medições com quadrupolo. O modelo numérico das fontes de erros da bobina previu
111
a existência de um sextupolo (e de um dipolo) espúrio no quadrupolo pela sagita dos condutores da bobina. Nas referências [45] e [52] consta o surgimentos destas mesmas componentes espúrias no quadrupolo devido à ação gravitacional. Os proceedings encontrados em [53] contêm trabalhos de outros laboratórios cuja componente sextupolar medida em quadrupolos pela técnica de Bobina Girante é considerável.
Para as medições com o quadrupolo, o valor medido pouco acima do especificado não chega a ser crítico, considerando os resultados do modelo da fonte de erros apresentado neste trabalho e de resultados e menções encontrados na literatura. O mesmo não será válido para as medições com o quadrupolo do Anel de Armazenamento do Sirius, cuja tolerância para o erro multipolar é ainda menor, exigindo assim o projeto de outras configurações de bobina que permitam minimizar ainda mais a influência deste erro sistemático.
Uma verificação do problema da sagita pôde ser feita através de um comparativo entre o campo (em módulo) sextupolar normalizado das duas bancadas. Conforme as medições apresentadas para as duas bancadas, o valor para a bancada MBG ficou abaixo do valor obtido com a bancada BGL, como mostra a componente da Figura 4.14. Em teoria, trata-se de um resultado esperado, já que o comprimento reduzido da bobina reduz também a sagita dos condutores da bobina.
As características de desempenho da bancada MBG são, até o presente momento, inadequadas para caracterização magnética com base nas especificações. Mesmo assim, o sistema protótipo se mostrou, em primeira instância, um sistema promissor para medição, principalmente pelos resultados obtidos, mesmo com a utilização de equipamentos obsoletos em relação à bancada oficial. Para as medições com o quadrupolo, o conteúdo multipolar obtido dos dois sistemas se mostrou bem próximo, principalmente para os multipolos sistemáticos, conforme a Figura 4.14. A divergência na obtenção do gradiente integrado pelas duas bancadas foi de 0,74%.
Trabalhos futuros
Frente às limitações da bancada MBG, existem uma série de correções que podem ser executadas no sistema com base nos aprimoramentos realizados na bancada BGL, como a troca do encoder rotativo e a substituição do condutor longo por um contato de mercúrio. Os
112
procedimentos adotados na bancada BGL para calibração da posição angular da bobina também podem ser adequados para a bancada MBG, já que o offset angular não é condizente com as tolerâncias necessárias.
A principal desvantagem da bancada MBG em relação à BGL é o tempo para realização de uma medida completa (20 minutos). Uma solução para este problema seria utilizar um conjunto de bobinas conectadas de forma a medir separadamente toda a região de interesse do magneto, conforme ilustra a Figura 5.1.
Figura 5.1. Conjunto de bobinas curtas para caracterização magnética [47].
Como os magnetos do Anel de Armazenamento possuem dimensões diferentes e especificações de erro multipolar ainda mais rigorosas em comparação com os magnetos do Booster, será necessário o projeto de novas bobinas para a caracterização destes imãs.
A busca pela excelência é um processo constante de aprimoramentos e aprendizados, apoiado nas informações contidas na literatura especializada, em modelos teóricos que descrevem os pormenores do sistema físico e nas respostas da bancada de medição para diferentes tipos de testes.
113
REFERÊNCIAS
[1] Disponível em: http://www.lightsources.org/what-light-source. Acesso em 16 de Junho de 2014.
[2] LABORATÓRIO NACIONAL DE LUZ SÍNCROTRON, Projeto SIRIUS: a nova fonte de luz síncrotron brasileira. Campinas, Brasil, 2014.
[3] Disponível em: http://www.nsrrc.org.tw/english/lightsource.aspx. Acesso em 10 de Março de 2014.
[4] A. Lienard, "La théorie de Lorentz," Revue D'Electricité, vol. 44, pp. 417-461, 1898. [5] H. C. Pollock, "The discovery of synchrotron radiation ," American Journal of Physics,
vol. 51, pp. 278-280, 1983.
[6] Disponível em: http://home.web.cern.ch/about/accelerators/proton-synchrotron. Acesso em 7 de Outubro de 2014.
[7] K. Hiramoto et al., "A compact proton synchrotron for cancer treatments," Particle Accelerator Conference, vol. 3, pp. 3813-3815, 1997.
[8] Disponível em: http://www.synchrotron-soleil.fr. Acesso em 16 de Junho de 2014. [9] H. Wiedemann, Particle Accelerator Physics I. Berlin: Springer, 2007. pg. 17-18. [10] A. C. Thompson (Ed.), X-Ray Data Booklet. California, USA, 2009. pg. 2.23-2.28.
[11] LABORATÓRIO NACIONAL DE LUZ SÍNCROTRON, SIRIUS. Mais competitividade para a ciência e indústria brasileiras. Campinas, 2012.
[12] L. Liu et al., "A New 5BA Low Emittance Lattice For Sirius," in Proc. of IPAC2013, Shanghai, China, 2013, pp. 1874-1876.
[13] Disponível em: http://www.lnls.br. Acesso em 20 de Outubro de 2014.
[14] S. C. Leemann et al., "Status of the MAX IV Storage Ring," in Proc. of IPAC'10, Kyoto, Japan, 2010, pp. 2618-2620.
[15] R. P. Walker, "Overview of the Status of the DIAMOND Project," in Proc. of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, 2006, pp. 2718-2722.
114
[16] F. Bonaudi, "Magnets in particle physics," in Proc. of the CERN Accelerator School: Magnets, Geneva, Switzerland, 1992, pp. 1-16.
[17] P. Wanderer, "Exotic Magnets for Accelerators," in IEEE Transactions, 2006, pp. 328-333. [18] L. Liu et al., "Update on Sirius, the new brazilian light source," in Proc. of IPAC2014,
Dresden, Germany, 2014, pp. 191-193.
[19] E. J. N. Wilson, "The motivation for magnet measurements," in Proc. of the CERN Accelerator School: Magnets, Anacapri, Italy, 1998, pp. 27-41.
[20] J. T. Tanabe, Iron Dominated Electromagnets. Singapore: World Scientific Publishing, 2005.
[21] Disponível em: http://photon-
science.desy.de/research/studentsteaching/primers/storage_rings__beamlines/index_eng.ht ml. Acesso em 2 de Outubro de 2014..
[22] K. N. Henrichsen, "Classification of Magnetic Measurement Methods," in Proc. of the CERN Accelerator School: Magnets, Geneva, Switzerland, 1992, pp. 70-83.
[23] L. Bottura and K. N. Henrichsen, "Field Measurements," in CERN School on Superconductivity, Geneva, Switzerland, 2002.
[24] PT 2025 NMR Teslameter User's Manual. Metrolab Instruments SA, 2003.
[25] Disponível em: http://www.kugler-precision.com. Acesso em 6 de Outubro de 2014.
[26] G. Tosin, J. F. Citadini, and E. Conforti, "Hall-Probe Bench for Insertion Devices Characterization at LNLS," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 56, 2007.
[27] G. Tosin, "Sistemas de alta precisão para as medições dos campos magnéticos dos dispositivos de inserção do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron," Tese (doutorado em Engenharia Elétrica), UNICAMP, Campinas, SP, 2005.
[28] A. Wolski, "Maxwell's equation for magnets," in Proc. of the CERN Accelerator School: Magnets, Liverpool, UK, 2010, pp. 1-38.
[29] A. Devred, "Review of Superconducting Storage-Ring Dipole and Quadrupole Magnets," in Proc. of the CERN Accelerator School on Measurement and Alignment of Accelerator and Detector Magnets, Anacapri, Italy, 1998, pp. 43-78.
115
[30] A. K. Jain, "Harmonic Coils," in Proc. of the CERN Accelerator School on Measurement and Alignment of Accelerator and Detector Magnets, Anacapri, Italy, 1997, pp. 175-218. [31] Matlab. Software for Numerical Simulation, MathWorks. Disponível em:
http://www.mathworks.com/products/matlab/.
[32] K. Halbach, "First order perturbation effects in iron dominated two dimensional symmetrical multipoles," Nuclear Instruments and Methods, vol. 74, pp. 147-164, 1969. [33] J. H. Vuolo, Fundamentos da Teoria de Erros, 2nd ed. São Paulo, Brasil: Edgard Blucher
Ltda, 1996.
[34] W. A. Ortiz, F. B. Talarico, and R. T. Neuenschwander, "Magnetic Measurements At LNLS," in Particle Accelerator Conference. Accelerator Science and Technology, 1989, pp. 378-380.
[35] Angle Encoders with Integral Bearing. Heidenhain, 2013.
[36] Linear Encoders For Numerically Controlled Machine Tools. Heidenhain, 2014. [37] OEM750 Drive User Guide. Parker Hannifin Corpotarion, 2000.
[38] Leica Absolute Tracker AT401. Hexagon Metrology, 2012.
[39] Mitutoyo PT-19001. Catálogo de Instrumentos de Medição 2014/2015. Mitutoyo. [40] Rotating Electrical Connectors Catalog. Mercotac.
[41] Fast Digital Integrator FDI2056 User's Manual. Metrolab, 2014.
[42] MagNet. Software for Eletromagnetics. Infolytica Corporation. Disponível em: www.infolytica.com. Acesso em 21 de Abril de 2014.
[43] J. E. Baader and J. A. Pomílio, "Técnica de Bobina Girante para Caracterização dos Magnetos do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron," in MOMAG 2014: 16º SBMO - Simpósio Brasileiro de Micro-ondas e Optoeletrônica e 11º CBMag - Congresso Brasileiro de Eletromagnetismo., Curitiba, 2014, pp. 1024-1029.
[44] DEA GLOBAL SILVER. Máquina de medição de coordenadas. Catálago do produto. Hexagon Metrology.
[45] W. G. Davies, "The theory of the measurement of magnetic multipole fields with rotating coil magnetometers," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol. 311, pp. 399-439, 1992.
116
[46] W. Scandale et al., "Production follow-up of the LHC main dipoles through magnetic measurements at room temperature," in IEEE Trans. Appl. Supercond. 14, 2004, pp. 173- 176.
[47] M. Buzio, "Fabrication and calibration of search coils," in Proc. of the CERN Accelerator School: Magnets, Bruges, Belgium, 2009, pp. 387-422.
[48] E6 Series Optical Kit Encoder. US Digital. Disponível em: www.usdigital.com/products/e6. Acesso em 15 de Junho de 2014.
[49] Analog Devices, "Ultralow Offset Voltage Operational Amplifier," OP07 Data Sheet, Rev G.
[50] Leica NA2/NAK2. User Manual Version 2.0. Leica Geosystems.
[51] Inventor 2013. Autodesk. Disponível em:
www.autodesk.com.br/products/inventor/overview. Acesso em 19 de Maio de 2014.
[52] L. Walckiers, "Magnetic measurement with coils and wires," in CERN Accelerator School CAS 2009: Specialised Course on Magnets, Bugres, 2009, pp. 357-385.
[53] Proceedings of International Magnetic Measurement Workshops. IMMW-17 (2011) and IMMW-18 (2013).
[54] W. E. Boyce and R. C. DiPrima, Equações Diferenciais Elementares e Problemas de Valores de Contorno, 6th ed. Rio de Janeiro, Brasil: LTC, 1999.
117