一种真空内逐束团电磁移相器

本发明属于自由电子激光装置束团移相器领域，具体涉及一种真空内逐束团电磁移相器，其实现了励磁电流快速切换。

背景技术：

1、在自由电子激光装置中，偏振状态可控的xfel（x射线自由电子激光）辐射光是研究物质的结构、磁性、电性、自旋和手性特征等各种不均匀性的有效工具，是xfel（x射线自由电子激光）光源的一个重要发展方向。物理学家已经在理论上证明了使用交叉平面波荡器对两个方向的线偏振光进行耦合可以实现偏振可控xfel（x射线自由电子激光）辐射。对两个方向的线偏振控制是通过调节平面交叉波荡器中间的移相器移相能力实现的，传统的低重频（＜1khz）fel（自由电子激光）装置移相器采用直流电磁铁，通过机械调节磁铁的位置及磁隙实现移相能力的调节。针对高重复频率（＞10 khz）fel（自由电子激光）装置，机械调节的响应不能满足需求。为实现高重频fel装置中快速切换能力，将传统移相器中的电磁铁，替换为快速脉冲磁铁。通过调节脉冲磁铁的励磁电流实现对电子束相对辐射光的相位调节，从而实现偏振状态的快速切换。当快速移相器开启时，束流经过旁路轨道，通过调节脉冲电磁铁的磁感应强度实现相位延迟；当快速电磁移相器关闭时，束流经过直通轨道，此时无相位延迟。

2、移相器分为永磁铁移相器(permanent magnet phase shifter, pmps)和电磁铁移相器(electromagnetic phase shifter, emps)。永磁铁移相器因其技术难度较小而得到了更广泛的应用，例如欧洲e-xfel、美国lcls-ii、日本sacla、韩国pal-xfel、瑞士swissfel以及我国sxfel、dcls等[1-5]。永磁铁移相器通过机械调节磁隙来调节电子束的相位，无法完成磁场的快速建立和消除；电磁铁移相器通过改变磁场强度来调节电子束的相位。然而，传统的电磁铁移相器采用恒流电流源励磁，移相能力的切换通过调节恒流源的电流及开关电源实现，其相应时间在1-10ms量级，不具备快速切换能力。

3、从文献来看，我国光源研究人员做过真空外电磁移相器样机[6]；日本spring-8在其偏振可控软x光束线上使用了真空外电磁移相器，其频响做到了1khz[7-8]。

4、随着高重复频率硬x射线fel装置的发展，实现偏振状态快速切换的逐束团移相器概念被提及。国内外还没有这种移相器设备。因此，有必要提出一种适用于高重频fel装置应用的真空内逐束团电磁移相器，以满足科学用户对偏振可控fel光源的需求。

5、参考文献：

6、[1] wolf z, slac. phase matching the lcls-ii undulators.

7、[2] li y, pflueger j. tuning method for phase shifters with very lowfirst field integral errors for the european x-ray free electron laser[j].physical review special topics accelerators and beams, 2015, 18(3).

8、[3] shim c h, yang h, hong j , et al. intensity optimization of x-rayfree-electron laser by using phase shifters[j]. physical review acceleratorsand beams, 2020, 23(9).

9、[4] yue tao, ji qiang, a variable field phase-shifter forrecirculating proton linacs[j].2018 phys.: conf. ser. 1067 052016

10、[5] m tischer, p neumann, et al. phaseshifter for the flash2felipac2014, dresden, germany.

11、[6] chung t y, yang c s, chu y l, et al. investigating excitation-dependent and fringe-field effects of electromagnet and permanent-magnetphase shifters for a crossed undulator[j]. nuclear inst&methods in physicsresearch a, 2017, 850(apr.1):72-77.

12、[7] matsuda i, kuroda a, miyawaki j, et al. development of anelectromagnetic phase shifter using a pair of cut-core coils for a crossundulator[j]. nuclear instruments and methods in physics research a 767(2014) 296–299.

13、[8] nakamura n, shinoe k, ito i, et al. phase shifter prototype withlaminated permalloy yokes for a polarization-controlled undulator. pac09,2009.

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种真空内逐束团电磁移相器，以实现移相能力快速切换的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种真空内逐束团电磁移相器，包括真空室，以及置于真空室内部的移相器电磁铁；所述移相器电磁铁采用单匝的励磁线圈，且所述移相器电磁铁通过真空穿墙件电极接口与真空室外部的励磁脉冲电源电连接。

3、所述移相器电磁铁包括彼此拼合以在两者之间形成一个中间通道的两个c型磁芯，单匝的励磁线圈贯穿所述中间通道设置。

4、所述励磁线圈具有沿移相器电磁铁的长度方向贯穿所述中间通道设置的第一矩形铜棒和第二矩形铜棒，位于中间通道的外部且连接第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的端部的线圈端部边框，以及与所述励磁脉冲电源电连接的两个彼此间隔开的线圈接头。

5、两个线圈接头之间设有绝缘与支撑件；和/或两个线圈接头共同设于第一矩形铜棒的中间位置、第二矩形铜棒的中间位置、或者设于线圈端部边框处。

6、两个c型磁芯在垂直于移相器电磁铁的长度方向的水平方向上相对设置，第一矩形铜棒位于中间通道的顶部，且第二矩形铜棒位于中间通道的底部，第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的宽度等于中间通道的宽度，且线圈端部边框具有与中间通道的宽度一致且与第一矩形铜棒的底面和第二矩形铜棒的顶面均齐平的束流开口。

7、所述中间通道除去第一矩形铜棒和第二矩形铜棒后的高度为16mm，中间通道的宽度为10mm，第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的截面的尺寸为10mm×7mm的矩形；每一块c型磁芯组件在移相器电磁铁的长度方向上的厚度为10mm，49块c型磁芯组件在移相器电磁铁的长度方向上依次排布，以共同构成总长度为490mm的c型磁芯。

8、第一矩形铜棒和第二矩形铜棒的材质为无氧铜，所述c型磁芯采用dn5h镍锌铁氧体材料。

9、所述移相器电磁铁还包括套设于两个c型磁芯的外部的金属外框和导冷带，所述导冷带的一端与金属外框相连，另一端与真空室的内壁相连。

10、所述真空室的左右两侧设有至少一个观察窗；和/或所述真空室前后两侧设有束流连通连接法兰，并通过所述束流连通连接法兰与上下游的真空管道连接。

11、所述的真空内逐束团电磁移相器还包括磁铁支架；以及安装于磁铁支架上的磁铁调整支架，所述真空室安装于磁铁调整支架上，和/或安装于磁铁支架上的离子泵，所述真空室与离子泵连通。

12、本发明的真空内逐束团电磁移相器其移相器电磁铁采用单匝的励磁线圈，以尽可能的减小移相器磁铁的电感量，其配合脉冲励磁电源，实现了励磁电流的大小的快速改变，进而快速改变磁感应强度，进而快速调节电子束的相位。此外，本发明采用铁氧体材料作为磁芯以解决高频励磁下的涡流损耗问题，并且通过导冷带解决高频励磁下的励磁线圈及磁芯的热功耗问题。

13、本发明的真空内逐束团电磁移相器将传统移相器的真空外永磁铁或者直流电磁铁更改为真空内脉冲磁铁，该移相器磁铁基于脉冲励磁工作方式，通过脉冲励磁电流源的高重复频率工作和快速调节能力，实现移相器逐束团移相能力的快速切换，因此移相器相较于传统的电磁移相器具有工作频率高，切换速度快等优点。