EP4434063A1 - Structure d'aimants à tenue améliorée, onduleur, et procédé associé - Google Patents

Structure d'aimants à tenue améliorée, onduleur, et procédé associé

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Publication number
EP4434063A1
EP4434063A1 EP23735594.6A EP23735594A EP4434063A1 EP 4434063 A1 EP4434063 A1 EP 4434063A1 EP 23735594 A EP23735594 A EP 23735594A EP 4434063 A1 EP4434063 A1 EP 4434063A1
Authority
EP
European Patent Office
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series
magnet
angle
structure according
magnet structure
Prior art date
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Granted
Application number
EP23735594.6A
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German (de)
English (en)
Other versions
EP4434063B1 (fr
EP4434063C0 (fr
Inventor
Mathieu VALLEAU
Amin GHAITH
Marie-Emmanuelle COUPRIE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Synchrotron Soleil
Original Assignee
Synchrotron Soleil
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Filing date
Publication date
Application filed by Synchrotron Soleil filed Critical Synchrotron Soleil
Publication of EP4434063A1 publication Critical patent/EP4434063A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP4434063B1 publication Critical patent/EP4434063B1/fr
Publication of EP4434063C0 publication Critical patent/EP4434063C0/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/02—Permanent magnets [PM]
    • H01F7/0273—Magnetic circuits with PM for magnetic field generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/02—Permanent magnets [PM]
    • H01F7/0205—Magnetic circuits with PM in general
    • H01F7/021—Construction of PM
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • H05H2007/041—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof for beam bunching, e.g. undulators

Definitions

  • TITLE Structure of magnets with improved strength, inverter, and associated method.
  • the present invention relates to a magnet structure. It also relates to an inverter comprising such a structure, as well as an associated method.
  • Such a device allows a user to generate a magnetic field.
  • the field of the invention is more particularly but not limited to that of particle accelerators.
  • An inverter is a device that generates a spatially periodic magnetic field. When charged particles (electrons in general) pass through this device, they are subjected to a force which gives them an oscillation movement and generates an electromagnetic wave.
  • the emitted radiation called synchrotron radiation is, due to its spectral and optical qualities, used as a tool to probe matter in many scientific fields (biology, chemistry, etc.).
  • the undulators are characterized by their spatial period and their magnetic field, the main parameters which impact the spectral range of the emitted radiation.
  • APPLE and associated type inverters APPLE I, II, III, .
  • each magnet is generally held alone using a mechanical clamp.
  • this single flange is no longer sufficient because the thickness of the magnet is insufficient.
  • the permanent magnets are then glued two by two, or even welded.
  • the magnetization vector rotates from one magnet to another by 90° around the horizontal axis if four magnets are used to constitute the period.
  • APPLE inverters can vary the polarization linearly or circularly.
  • the horizontal and vertical field components are not equal, the resonance energy is then limited by the value of the weakest magnetic field component.
  • the aim of the present invention is to propose a structure of magnets or an inverter making it possible to generate a magnetic field (preferably large) while facilitating the assembly of the magnets together, and which can preferably do without or limit the use of glue or solder or flange to assemble these magnets, preferably for elliptical polarization, of short spatial period and effective.
  • a magnet of a fourth beam the magnets of each beam succeeding one another along the direction S, the first beam and the second beam succeeding one another along a direction Z perpendicular to the direction S, the fourth beam and the third beam succeeding one another along the direction Z, the third beam and the second beam succeeding one another along a direction in that, for at least four successive (but not necessarily neighboring) series of magnets of a spatial period ⁇ u , the magnetization vector of each magnet (of these at least 4 series) of each beam has a non-zero component the along each of the directions X, S and Z.
  • N is a positive integer.
  • N is preferably less than or equal to ten.
  • N is preferably less than or equal to eight.
  • N can for example be equal to four, six, or eight.
  • the magnet structure according to the invention can further be characterized in that the series comprise a first, second, third and fourth successive series in this order, and in that:
  • the magnetization vector of each magnet of the second beam and the third beam has, in a projection in a plane comprising the directions Z and S, a direction which forms, with the direction Z: o an angle of -0 first series, and/or o an angle of +0x for the second series, and/or o an angle of -0x-18O° for the third series, and/or o an angle of 0x-18O° for the fourth series.
  • the magnetization vector of each magnet of the first beam and the fourth beam has, in a projection in a plane comprising the directions Z and S, a direction which forms, with the direction Z: o an angle of 0 series, and/or o an angle of -0
  • the magnetization vector of each magnet of the first series and the second series has, in a projection in a plane comprising the directions Z and beam, and/or o an angle of 0s for the second beam, and/or o an angle of -0s for the third beam, and/or o an angle of 0s for the fourth beam.
  • the magnet structure according to the invention can further be characterized in that: - the magnetization vector of each magnet of the third series and the fourth series has, in a projection in a plane comprising the directions Z and X, a direction which forms, with the direction Z: o an angle of -0s-18O° for the first beam, and/or o an angle of 0s-18O° for the second beam, and/or o an angle of -0s-18O° for the third beam, and/or an angle of 0s-18O° for the fourth beam.
  • 0x can be different from 0°, 90°, 180° or 270°, preferably within ⁇ 1°, or even preferably within ⁇ 5°.
  • 0s can be different from 0°, 90°, 180° or 270°, preferably within ⁇ 1°, or even preferably within ⁇ 5°.
  • 0s can be different from 45°, 135°, 225° or 315°, preferably within ⁇ 1°, or even preferably within ⁇ 2°.
  • the number N of series is equal to 4 or 6.
  • the series can also include:
  • the magnetization vector of each magnet of the second beam and the third beam has, in a projection in a plane comprising the directions Z and S, a direction which forms, with the direction Z: o an angle of 0° for the fifth series, and/or o an angle of 180° for the sixth series
  • the magnetization vector of each magnet of the first beam and the fourth beam has, in a projection in a plane comprising the directions Z and S, a direction which forms, with the direction Z: o an angle of 0° for the fifth series, and/or o an angle of 180° for the sixth series, and/or
  • the magnetization vector of each magnet of the fifth series has, in a projection in a plane comprising the Z and X directions, a direction which forms, with the Z direction: o an angle of -0s for the first beam, and/or o an angle of 0s for the second beam, and/or o an angle of -0s for the third beam, and/or o an angle of 0s for the fourth beam, and/or
  • the magnetization vector of each magnet of the sixth series has, in a projection in a plane comprising the directions Z and X, a direction which forms, with the direction Z: o an angle of -0s-18O° for the first beam, and/or o an angle of 0s-18O° for the second beam, and/or o an angle of -0s-18O° for the third beam, and/or o an angle of 0s-18O° for the fourth beam.
  • To u can be included in the interval [15 mm; 200 mm], preferably in the interval [20mm; 70mm].
  • the first beam and the second beam are separated by a distance Gz along the direction Z, and/or
  • the fourth beam and the third beam are spaced apart by the distance Gz along the direction Z, and/or
  • the third beam and the second beam are separated by a distance Gx along the direction X, and/or
  • Gx can be included in the interval [1 mm; 250 mm], preferably in the interval [1mm; 50mm], and/or Gz is included in the interval [1mm; 250 mm], preferably in the interval [1 mm; 50mm].
  • Gx can be equal (or substantially equal to ⁇ 500 pm, preferably ⁇ 200 pm) to Gz, subsequently denoted G.
  • the magnet structure according to the invention can further be arranged to generate a magnetic field with its component along the Z direction equal, or substantially equal to ⁇ 5%, preferably ⁇ 1%, to its component along the X direction.
  • an inverter comprising:
  • a vacuum chamber arranged o around the magnet structure so that the magnets of the magnet structure are located inside the vacuum, or o inside the magnet structure, between the four beams
  • cryogenic cooling system preferably nitrogen or helium arranged to cool the magnets of the magnet structure (preferably when the vacuum chamber is arranged around the magnet structure).
  • a method for generating a magnetic field characterized in that it is generated by means of a structure of magnets according to the invention or an inverter according to the invention.
  • the magnetic field can be generated with its component along the Z direction equal, or substantially equal to ⁇ 5%, preferably ⁇ 1%, to its component along the X direction.
  • FIG. 2 is a front view of the four beams 10, 20, 30, 40 carrying the magnets for the series of magnets 1 and 2 of the first embodiment of magnet structure 100 according to the invention; in this figure, each magnet is represented by a square with rounded corners and has a direction of its permanent magnetization vector, projected in the plane of Figure 2 including the directions X and Z, illustrated by an arrow inside the square of this magnet,
  • FIG. 3 is a front view of the same four beams 10, 20, 30, 40 of Figure 2, carrying the magnets for the series of magnets 3 and 4 of the first embodiment of structure 100 of magnets according to the invention; in this figure, each magnet is represented by a square with rounded corners and has a direction of its permanent magnetization vector, projected in the plane of Figure 3 including the directions X and Z, illustrated by an arrow inside the square of this magnet,
  • Figure 7 illustrates the angle 0s as a function of the angle 0x for values of 0s and 0x for which the component B z in the direction Z of the magnetic field generated by the magnet structure 100 is equal to the component Bx according to the direction , 30, 40 facing each other.
  • Figure 10 illustrates on the vertical axis values of angle 0 corresponding to 0x or 0s: - Points of a curve 310 of 0 x as a function of the spatial period ⁇ u , and
  • Figure 11 illustrates the values of the magnetic fields B x and B z generated by the structure 100 as a function of the longitudinal position S at the center of the four magnets of each series 1, 2, 3 or 4, outside vacuum or at the center d 'a vacuum chamber of the inverter 1000 comprising the structure 100,
  • Figure 17 illustrates:
  • Figure 18 illustrates the angle 0s as a function of the angle 0 to the component B x according to the direction X of the magnetic field generated by the magnet structure 200 and maximum
  • Figure 19 illustrates on the vertical axis values of angle 0 corresponding to 0 X or 0s:
  • the amplitude of B z , at the center of the four beams 10, 20, 30, 40 is equal to: - The amplitude of B x , at the center of the four beams 10, 20, 30, 40 (the component B x according to the direction the position according to S).
  • the peak fields of B z and B x are equal, and the fields B z and B x can be out of phase.
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described or illustrated subsequently isolated from the other characteristics described or illustrated (even if this selection is isolated within of a sentence including these other characteristics), if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
  • This selection includes at least one preferably functional characteristic without structural details, and/or with only part of the structural details if this part only is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the art. anterior.
  • This new magnetic structure 100 is derived from a Halbach structure and includes a particular orientation of the magnetization vector for optimal strength of the magnets, and is preferably applied to the construction of inverters generating elliptical polarization.
  • the structure 100 of magnets comprises four successive series (first series referenced 1 in the figures then second series referenced 2 in the figures then third series referenced 3 in the figures then fourth series referenced 4 in the figures, in this order along the direction S) of permanent magnets installed periodically along a direction S (also denoted Y) with a spatial period ⁇ u , including a first, second, third and fourth series.
  • These four series 1, 2, 3, 4 are represented only once in Figure 1, but are in reality repeated periodically along the direction S typically a few dozen or hundreds of times.
  • Each series 1, 2, 3, 4 includes (preferably only as a magnet):
  • each beam 10, 20, 20, 40 follow one another along the direction S.
  • the first beam 10 and the second beam 20 are parallel and succeed one another along a direction Z perpendicular to the direction S.
  • the fourth beam 40 and the third beam 30 are parallel and succeed one another along the Z direction.
  • the third beam 30 and the second beam 20 succeed one another along a direction X perpendicular to the directions S and Z.
  • the fourth beam 40 and the first beam 10 follow one another along the direction X.
  • - Beam 20 is located at the top right in relation to the center of these four beams
  • - Beam 40 is located at the bottom left in relation to the center of these four beams
  • the magnetization vector (which leads to permanent magnetization, but not to temporary magnetization of an electromagnet), of each magnet of each beam 10, 20, 30, 40 has a non-zero component along each of the directions S and Z.
  • the magnetization vector of each magnet of the first beam 10 and the fourth beam 40 has, in a projection in a plane comprising the directions Z and S, a direction which forms, with the direction Z: o an angle (around the 'X axis) of 0x for the first series 1 o an angle (around the X axis) of -0x for the second series 2 o an angle (around the X axis) of 0x-18O° for the third series 3 o an angle (around the X axis) of -0x-18O° for the fourth series
  • the magnetization vector of each magnet of the first series 1 and the second 2 series has, in a projection in a plane comprising the directions Z and 'S axis) of -0s for the first beam 10 o an angle (around the S axis) of 0s for the second beam 20 o an angle (around the S axis) of -0s for the third beam 30 o an angle (around the S axis) of 0s for the fourth beam 40
  • the magnetization vector of each magnet of the third series 3 and the fourth 4 series has, in a projection in a plane comprising the directions Z and 'S axis) of -0s-18O° for the first beam 10 o an angle (around the S axis) of 0s-18O° for the second beam 20 o an angle (around the S axis) of -0s -18O° for the third beam 30 o an angle (around the S axis) of 0s-18O° for the fourth beam 40.
  • 0x is different from 0°, 90°, 180° or 270°, preferably within ⁇ 1°, or even preferably within ⁇ 5°.
  • 0s is different from 0°, 90°, 180° or 270°, preferably within ⁇ 1°, or even preferably within ⁇ 5°.
  • 0s is different from 45°, 135°, 225° or 315°, preferably within ⁇ 1°, or even preferably within ⁇ 2°.
  • Figure 5 is obtained by numerical simulation using magnetic field simulation software (RADIA) which calculates the magnetic field generated by a permanent magnet or a sequencing of permanent magnets with the following hypotheses: magnets of transverse dimensions 35 mm x 35 mm along the X and Z axes and dimension ⁇ u /N mm along the S axis
  • RADIA magnetic field simulation software
  • the fourth beam 40 and the third beam 30 are spaced apart by the distance Gz along the direction Z,
  • the third beam 30 and the second beam 20 are separated by a distance (also called air gap) Gx along the direction X,
  • the fourth beam 40 and the first beam 10 are spaced apart by the distance Gx along the direction X.
  • Gx is typically included in the interval [1mm; 250 mm], preferably in the interval [1mm; 50mm], and/or Gz is typically included in the interval [1 mm; 250 mm], preferably in the interval [1 mm; 50mm].
  • Gx or Gz lead to a circular opening (for a passage of a beam through the center of the beams 10, 20, 30, 40) whose diameter is greater than Gx and Gz and depends on Gx, Gz and the chamfers at the corners of the magnets.
  • the chamfer value is calculated as follows:
  • Figure 6 is obtained by numerical simulation using magnetic field simulation software (RADIA) which calculates the magnetic field generated by a permanent magnet or a sequencing of permanent magnets with the following hypotheses: magnets of transverse dimensions 35 mm x 35 mm along the X and Z axes and dimension ⁇ u /N mm along the S axis
  • RADIA magnetic field simulation software
  • Figure 7 is obtained by numerical simulation using magnetic field simulation software (RADIA) which calculates the field magnetic generated by a permanent magnet or a sequencing of permanent magnets with the following hypotheses: magnets with transverse dimensions 35 mm x 35 mm along the X and Z axes and dimension ⁇ u /N mm along the S axis
  • RADIA magnetic field simulation software
  • Figure 8 is obtained by numerical simulation using magnetic field simulation software (RADIA) which calculates the magnetic field generated by a permanent magnet or a sequence of permanent magnets with the following hypotheses: magnets of transverse dimensions 35 mm x 35 mm along the X and Z axes and dimension ⁇ u /N mm along the S axis
  • RADIA magnetic field simulation software
  • Figure 9 is obtained by numerical simulation using magnetic field simulation software (RADIA) which calculates the magnetic field generated by a permanent magnet or a sequence of permanent magnets with the following hypotheses: magnets of transverse dimensions 35 mm x 35 mm along the X and Z axes and dimension ⁇ u /N mm along the S axis
  • RADIA magnetic field simulation software
  • Figure 10 is obtained by numerical simulation using magnetic field simulation software (RADIA) which calculates the magnetic field generated by a permanent magnet or a sequencing of permanent magnets with the following hypotheses: magnets of transverse dimensions 35 mm x 35 mm along the X and Z axes and dimension ⁇ u /N mm along the S axis
  • RADIA magnetic field simulation software
  • Sx is typically included in the interval ]5°; 80°], preferably in the interval [24°; 54°].
  • 0s is typically included in the interval ]5°; 43°[, preferably in the interval [30°; 42°].
  • ⁇ u is typically included in the interval [15 mm; 200 mm], preferably in the interval [20mm; 70mm].
  • G is expressed in mm and ⁇ u is expressed in mm.
  • G is expressed in mm and ⁇ u is expressed in mm.
  • the structure 100 is preferably arranged to generate a magnetic field with its component B z along the direction Z equal, or substantially equal to ⁇ 5%, preferably ⁇ 1% at minimum air gap, to its component B x the along the X direction.
  • inverter 1000 (not illustrated) according to the invention is constructed, comprising:
  • a vacuum chamber arranged: o inside the magnet structure, between (preferably in the center of) the four beams 10, 20, 30, 40, or o around the magnet structure so that the magnets of the magnet structure are located inside the void,
  • cryogenic cooling system preferably nitrogen or helium arranged to cool the magnets of the magnet structure (preferably when the vacuum chamber is arranged around the magnet structure).
  • a magnetic field is generated by means of the structure of magnets 100 or 200 or the inverter 1000.
  • the magnetic field is generated with its component B z along the direction Z equal, or substantially equal to ⁇ 5% preferably to ⁇ 1% at minimum air gap, to its component B x along the direction X.
  • Figure 11 which illustrates the fields B x and B z obtained by the structure 100, is obtained by numerical simulation using magnetic field calculation software (RADIA) which calculates the magnetic field generated by a permanent magnet or a sequence of permanent magnets with the following hypotheses: magnets with transverse dimensions 35 mm x 35 mm along the X and Z axes and dimension ⁇ u /N mm along the S axis
  • RADIA magnetic field calculation software
  • the new structure proposed 100 or 200 produces a magnetic field (with an elliptical polarization) as important as the Halbach structure and makes it possible to respond to the problem of holding the magnets.
  • all magnets are magnetized in 3 directions (vertical, horizontal and longitudinal). Tilting the magnetization vector in the longitudinal direction makes it possible to keep two magnets stuck together naturally. It is thus easier to maintain a block of two magnets bonded naturally than a single, thinner magnet subjected to opposing forces or two magnets bonded by other unnatural means (welding, glue, screws, etc.).
  • the new structure 100 or 200 proposed makes it possible to respond to this problem, while maintaining the fact that the field components B z , B x in the two planes are always equivalent.
  • magnets have a magnetization vector oriented in 3 directions (horizontal, vertical and longitudinal).
  • the inclination of the magnetization vector in the longitudinal plane will allow certain magnets to naturally stick together two by two, thus constituting a block of two united magnets. So, there is no need to solder/glue the magnets together.
  • N is a positive integer.
  • N is preferably an even number.
  • N is preferably greater than or equal to four.
  • N is preferably less than or equal to eight or ten.
  • N can for example be equal to four, six, or eight.
  • each spatial period ⁇ u includes the series 1, 5, 2, 3, 6, 4 in this order along the direction S;
  • N 10 series of magnets
  • each magnet (corresponding to a single bottom beam 10 or 40) is represented by a rectangle with rounded corners and has a direction of its permanent magnetization vector, projected in the plane of this figure including the directions S and Z, illustrated by an arrow inside the rectangle of this magnet;
  • each spatial period ⁇ u includes the series 1, 7, 5, 8, 2, 3, 9, 6, 13, 4 in this order along the direction S.
  • This structure 200 always includes the four beams 10, 20, 30, 40.
  • the number N of series is equal to 6.
  • the series of magnets of structure 200 further include:
  • the magnetization vector of each magnet of the second beam and the third beam has, in a projection in a plane comprising the directions Z and S, a direction which forms, with the direction Z: o an angle of 0° for the fifth series o an angle of 180° for the sixth series
  • the magnetization vector of each magnet of the first beam and the fourth beam has, in a projection in a plane comprising the directions Z and S, a direction which forms, with the direction Z: o an angle of 0° for the fifth series o an angle of 180° for the sixth series
  • the magnetization vector of each magnet of the fifth series has, in a projection in a plane comprising the directions Z and first beam o an angle of 0s for the second beam o an angle of -0s for the third beam o an angle of 0s for the fourth beam
  • the magnetization vector of each magnet of the sixth series has, in a projection in a plane comprising the directions Z and ° for the first beam o an angle of 0s-18O° for the second beam o an angle of -0s-18O° for the third beam o an angle of 0s-18O° for the fourth beam.
  • the directions of the magnetization vectors of the magnets of series 1, 23, 3 and 4 do not change compared to structure 100.
  • the magnetization vector of each magnet of each beam has a non-zero component along each of the directions X, S and Z
  • Figure 16 is obtained by numerical simulation using magnetic field simulation software (RADIA) which calculates the magnetic field generated by a permanent magnet or a sequence of permanent magnets with the following hypotheses: magnets of transverse dimensions 35 mm x 35 mm along the X and Z axes and dimension ⁇ u /N mm along the S axis
  • RADIA magnetic field simulation software
  • Figure 17 is obtained by numerical simulation using magnetic field simulation software (RADIA) which calculates the field magnetic generated by a permanent magnet or a sequencing of permanent magnets with the following hypotheses: magnets with transverse dimensions 35 mm x 35 mm along the X and Z axes and dimension ⁇ u /N mm along the S axis
  • RADIA magnetic field simulation software
  • Figure 18 is obtained by numerical simulation using magnetic field simulation software (RADIA) which calculates the magnetic field generated by a permanent magnet or a sequence of permanent magnets with the following hypotheses: magnets with transverse dimensions 35 mm x 35 mm along the X and Z axes and dimension ⁇ u /N mm along the S axis
  • RADIA magnetic field simulation software
  • Figure 19 is obtained by numerical simulation using magnetic field simulation software (RADIA) which calculates the magnetic field generated by a permanent magnet or a sequence of permanent magnets with the following hypotheses: magnets of transverse dimensions 35 mm x 35 mm along the X and Z axes and dimension ⁇ u /N mm along the S axis
  • RADIA magnetic field simulation software
  • 0x is typically included in the interval ]5°; 80°], preferably in the interval [28°; 72°].
  • 0s is typically included in the interval ]5°; 43°[, preferably in the interval [34°; 42°].
  • G is expressed in mm and ⁇ u is expressed in mm.

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Abstract

L'invention concerne une structure d'aimants comprenant des séries (1, 2, 3, 4) d'aimants permanents installés périodiquement le long d'une direction S avec une période spatiale λu, chaque série comprenant un aimant d'une première poutre (10), un aimant d'une deuxième poutre (20), un aimant d'une troisième poutre (30), et un aimant d'une quatrième poutre (40), les aimants de chaque poutre se succédant le long de la direction S, la première poutre et la deuxième poutre se succédant le long d'une direction Z perpendiculaire à la direction S, la quatrième poutre et la troisième poutre se succédant le long de la direction Z, la troisième poutre et la deuxième poutre se succédant le long d'une direction X perpendiculaire aux directions S et Z, la quatrième poutre et la première poutre se succédant le long de la direction X, caractérisé en ce que, pour au moins quatre séries successives d'aimants d'une période spatiale λu, le vecteur magnétisation de chaque aimant de chaque poutre a une composante non nulle le long de chacune des directions X, S et Z.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Structure d'aimants à tenue améliorée, onduleur, et procédé associé.
Domaine technique
La présente invention concerne une structure d'aimants. Elle concerne aussi un onduleur comprenant une telle structure, ainsi qu'un procédé associé.
Un tel dispositif permet à un utilisateur de générer un champ magnétique. Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui des accélérateurs de particules.
Etat de la technique antérieure
Le document US 5 383 049 décrit un dispositif d'insertion de phase réglable à polarisation elliptique.
L'article de Sasaki et al. (Nuclear Instruments & methods in Physics research A 331 (1993) July 1) décrit la conception d'un nouveau type d'onduleur planaire pour générer un rayonnement polarisé variable.
L'article de Liang et al. (Nuclear Instruments & methods in Physics research A 987 (2021)) décrit une analyse des premiers résultats magnétiques des onduleurs PSI APPLE X en polarisation elliptique.
Un onduleur est un dispositif qui génère un champ magnétique spatialement périodique. Lorsque des particules chargées (électrons en général) traversent ce dispositif, elles sont soumises à une force qui leur imprime un mouvement d'oscillations et engendre une onde électromagnétique. Le rayonnement émis appelé rayonnement synchrotron est, de par ses qualités spectrales et optiques, utilisé comme outil pour sonder la matière dans de nombreux domaines scientifiques (biologie, chimie, ...). Les onduleurs sont caractérisés par leur période spatiale et leur champ magnétique, principaux paramètres qui impactent l'étendue spectrale du rayonnement émis. Les onduleurs de type APPLE et associés (APPLE I, II, III, X, Delta, ...) produisent un champ magnétique périodique vertical et/ou horizontal permettant de générer de la polarisation linéaire (pure ou inclinée) ou de la polarisation circulaire. Ils sont constitués de rangées d'aimants permanents dont le mouvement de deux d'entre elles diagonalement opposées permet de changer la phase entre les composantes de champ, ainsi que leur intensité et donc faire varier l'hélicité de la polarisation. Sur chaque rangée, les aimants permanents sont assemblés en suivant une structure de Halbach. Cette dernière consiste à alterner des aimants permanents dont le vecteur magnétisation tourne de 90° dans le sens faisceau autour de l'axe horizontal de l'onduleur, chaque aimant étant magnétisé dans 1 direction au plus. Ces aimants permanents sont généralement difficiles à maintenir en position car ils se repoussent mutuellement ou alors sont en équilibre instable.
Pour les onduleurs de grande période magnétique, chaque aimant est généralement maintenu seul à l'aide d'une bride mécanique. Pour les onduleurs de faible période magnétique, cette unique bride ne suffit plus à cause de l'épaisseur de l'aimant qui est insuffisante. Les aimants permanents sont alors collés deux à deux, voire soudés.
Dans une structure de Halbach classique, sur une période magnétique Àu, le vecteur magnétisation tourne d'un aimant à l'autre de 90° autour de l'axe horizontal si l'on utilise quatre aimants pour constituer la période.
Les onduleurs APPLE sont constitués de 4 poutres mobiles longitudinalement pour faire varier la phase entre les composantes de champ et donc la polarisation des électrons, ou verticalement (bas vs haut) pour modifier la force du champ magnétique et donc l'énergie de résonnance de l'onduleur. Les deux rangées basses possèdent le même séquencement d'aimants, tandis que sur les poutres supérieures, les aimants magnétisés longitudinalement sont dans le sens opposé aux poutres basses.
L'intérêt des onduleurs APPLE est de pouvoir faire varier la polarisation en linéaire ou circulaire. Cependant, dans ce genre de structure magnétique, les composantes de champ horizontale et verticale ne sont pas égales, l'énergie de résonnance est alors bornée par la valeur de la plus faible composante de champ magnétique. Pour outrepasser le fait que les composantes de champ ne sont pas équivalentes, il est possible d'incliner à 45° le vecteur magnétisation des aimants magnétisés verticalement, ce qui permet d'obtenir l'égalité des composantes horizontale et verticale et ainsi ne plus être limité en énergie par l'une ou l'autre, c'est le cas des onduleurs de type APPLE I ou APPLE X.
Dans le cas d'onduleurs APPLE I ou II ou III ou X, la dimension longitudinale de chaque aimant est égale à la période que divise le nombre d'aimants constituant la période. Ainsi, pour un onduleur de période magnétique 40 mm, les aimants permanents ont une épaisseur de 10 mm. Il n'est pas aisé de maintenir mécaniquement un élément de 10 mm de large sur lequel s'exercent des forces magnétiques dans les 3 directions. Pour y remédier, certains utilisent de la colle, d'autres même mettent en place des procédés de soudure des aimants entre eux.
Le but de la présente invention est de proposer une structure d'aimants ou un onduleur permettant de générer un champ magnétique (de préférence important) tout en facilitant l'assemblage des aimants entre eux, et pouvant de préférence se passer de ou limiter l'usage de colle ou soudure ou bride pour assembler ces aimants, de préférence pour une polarisation elliptique, de courte période spatiale et efficace.
Exposé de l'invention
Cet objectif est atteint avec une structure d'aimants comprenant un nombre N de séries d'aimants permanents installés périodiquement le long d'une direction S avec une période spatiale Àu (dont de préférence une première, deuxième, troisième et quatrième séries), N étant supérieur ou égal à quatre : chaque série comprenant :
- un aimant d'une première poutre
- un aimant d'une deuxième poutre
- un aimant d'une troisième poutre
- un aimant d'une quatrième poutre les aimants de chaque poutre se succédant le long de la direction S, la première poutre et la deuxième poutre se succédant le long d'une direction Z perpendiculaire à la direction S, la quatrième poutre et la troisième poutre se succédant le long de la direction Z, la troisième poutre et la deuxième poutre se succédant le long d'une direction X perpendiculaire aux directions S et Z, la quatrième poutre et la première poutre se succédant le long de la direction X, caractérisé en ce que, pour au moins quatre séries successives (mais pas nécessairement voisines) d'aimants d'une période spatiale Àu, le vecteur magnétisation de chaque aimant (de ces au moins 4 séries) de chaque poutre a une composante non nulle le long de chacune des directions X, S et Z.
N est un nombre entier positif.
N est de préférence un nombre pair. N est de préférence supérieur ou égal à quatre.
N est de préférence inférieur ou égal à dix.
N est de préférence inférieur ou égal à huit.
N peut par exemple être égal à quatre, six, ou huit.
La structure d'aimants selon l'invention peut en outre être caractérisée en ce que les séries comprennent une première, deuxième, troisième et quatrième séries successives dans cet ordre, et en ce que :
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la deuxième poutre et de la troisième poutre a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de -0X pour la première série, et/ou o un angle de +0x pour la deuxième série, et/ou o un angle de -0x-18O° pour la troisième série, et/ou o un angle de 0x-18O° pour la quatrième série.
La structure d'aimants selon l'invention peut en outre être caractérisée en ce que :
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la première poutre et de la quatrième poutre a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de 0X pour la première série, et/ou o un angle de -0X pour la deuxième série, et/ou o un angle de 0x-18O° pour la troisième série, et/ou o un angle de -0x-18O° pour la quatrième série.
La structure d'aimants selon l'invention peut en outre être caractérisée en ce que :
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la première série et de la deuxième série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de -0s pour la première poutre, et/ou o un angle de 0s pour la deuxième poutre, et/ou o un angle de -0s pour la troisième poutre, et/ou o un angle de 0s pour la quatrième poutre.
La structure d'aimants selon l'invention peut en outre être caractérisée en ce que : - le vecteur magnétisation de chaque aimant de la troisième série et de la quatrième série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de -0s-18O° pour la première poutre, et/ou o un angle de 0s-18O° pour la deuxième poutre, et/ou o un angle de -0s-18O° pour la troisième poutre, et/ou un angle de 0s-18O° pour la quatrième poutre.
0x peut être différent de 0°, 90°, 180° ou 270°, de préférence à ± 1°, voir même de préférence à ± 5°.
0x peut être compris dans l'intervalle ]5° ; 80°], de préférence dans l'intervalle [24° ; 72°], de préférence dans l'intervalle [24° ; 54°] pour N =4 et/ou dans l'intervalle [28° ; 72°] pour N=6.
0s peut être différent de 0°, 90°, 180° ou 270°, de préférence à ± 1°, voir même de préférence à ± 5°.
0s peut être différent de 45°, 135°, 225° ou 315°, de préférence à ± 1°, voir même de préférence à ± 2°.
0s peut être compris dans l'intervalle ]5° ; 43°[, de préférence dans l'intervalle [30° ; 42°], de préférence dans l'intervalle [30° ; 42°] pour N =4 et/ou dans l'intervalle [34° ; 42°] pour N=6.
Le nombre N de séries est égal à 4 ou à 6.
Dans le cas où N =6, les séries peuvent comprendre en outre :
- Une cinquième série entre la première et la deuxième série
- Une sixième série entre la troisième et la quatrième série de sorte que les séries comprenant les première, cinquième, deuxième, troisième, sixième et quatrième séries successives dans cet ordre. Dans ce cas, de préférence :
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la deuxième poutre et de la troisième poutre a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de 0° pour la cinquième série, et/ou o un angle de 180° pour la sixième série, et/ou - le vecteur magnétisation de chaque aimant de la première poutre et de la quatrième poutre a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de 0° pour la cinquième série, et/ou o un angle de 180° pour la sixième série, et/ou
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la cinquième série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de -0s pour la première poutre, et/ou o un angle de 0s pour la deuxième poutre, et/ou o un angle de -0s pour la troisième poutre, et/ou o un angle de 0s pour la quatrième poutre, et/ou
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la sixième série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de -0s-18O° pour la première poutre, et/ou o un angle de 0s-18O° pour la deuxième poutre, et/ou o un angle de -0s-18O° pour la troisième poutre, et/ou o un angle de 0s-18O° pour la quatrième poutre.
Àu peut être compris dans l'intervalle [15 mm; 200 mm], de préférence dans l'intervalle [20mm ; 70mm].
La structure d'aimants selon l'invention peut en outre être caractérisée en ce que :
- la première poutre et la deuxième poutre sont distantes d'une distance Gz le long de la direction Z, et/ou
- la quatrième poutre et la troisième poutre sont distantes de la distance Gz le long de la direction Z, et/ou
- la troisième poutre et la deuxième poutre sont distantes d'une distance Gx le long de la direction X, et/ou
- la quatrième poutre et la première poutre sont distantes de la distance Gx le long de la direction X. Gx peut être compris dans l'intervalle [1 mm ; 250 mm], de préférence dans l'intervalle [1mm ; 50mm], et/ou Gz est compris dans l'intervalle [1mm ; 250 mm], de préférence dans l'intervalle [1 mm ; 50mm].
Gx peut être égal (ou sensiblement égal à ±500 pm près de préférence à ±200 pm près) à Gz, noté par la suite G.
0x peut être égal à, de préférence si N = 4 :
0x (G; Àu) = Offsetl + AGapl*exp(BGapl * G) + APeriodel*exp(BPeriodel * Àu) à ±10% près, de préférence à ±5% près avec :
Offsetl =33.634 ± 0.17
AGapl =29.434 ± 0.109
BGapl =-0.041763 ± 0.000374
APeriodel =-39.534 ± 0.104
BPeriodel =-0.027176 ± 0.000263
0s peut être égal à, de préférence si N = 4
0s (G; Àu) = Offset2 + AGap2*exp(BGap2 * G) + APeriode2*exp(BPeriode2 *
Àu) à ±5% près, de préférence à ±2% près
Offset2 =35.233 ± 0.147
AGap2 =-10.382 ± 0.0218
BGap2 =-0.066698 ± 0.000476
APeriode2 =13.866 ± 0.0918
BPeriode2 =-0.015736 ± 0.000349
0x peut être égal à, de préférence si N = 6 :
0x (G; Àu) = Offset4 + AGap4*exp(BGap4 * G) +
APeriode4*exp(BPeriode4 * Àu) à ±4% près, de préférence à ±3% près avec :
Off4 =49.848 ± 0.3
AGap4 =41.206 ± 0.0801
BGap4 =-0.038149 ± 0.000217
APeriode4 =-54.559 ± 0.148
BPeriode4 =-0.018134 ± 0.000223
0s peut être égal à, de préférence si N = 6 0s (G; Àu) = Offsets + AGap3*exp(BGap3 * G) +
APeriode3*exp(BPeriode3 * Àu) à ±7% près, de préférence à ±3% près avec :
Off3 =37.222 ± 0.201
AGap3 =-9.6508 ± 0.0384
BGap3 =-0.038257 ± 0.000448
APeriodeB =12.099 ± 0.13
BPeriode3 =-0.01507 ± 0.000503
La structure d'aimants selon l'invention peut en outre être agencée pour générer un champ magnétique avec sa composante le long de la direction Z égale, ou sensiblement égale à ±5% de préférence à ±1%, à sa composante le long de la direction X.
Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un onduleur comprenant :
- une structure d'aimants selon l'invention,
- de préférence une chambre à vide disposée o autour de la structure d'aimants de sorte que les aimants de la structure à aimants soient situés à l'intérieur du vide, ou o à l'intérieur de la structure d'aimants, entre les quatre poutres
- de préférence un système de refroidissement cryogénique (de préférence à l'azote ou à l'hélium) agencé pour refroidir les aimants de la structure à aimants (de préférence lorsque la chambre à vide est disposée autour de la structure à aimants).
Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de génération d'un champ magnétique, caractérisé en ce qu'il est généré au moyen d'une structure d'aimants selon l'invention ou d'un onduleur selon l'invention.
Le champ magnétique peut être généré avec sa composante le long de la direction Z égale, ou sensiblement égale à ±5% de préférence à ±1%, à sa composante le long de la direction X.
Description des figures et modes de réalisation D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
[Fig. 1] la figure 1 est une vue de profil de quatre séries 1, 2, 3, 4 d'aimants (chaque série 1, 2, 3, 4 comprenant un aimant d'une des poutres 10, 20, 30, 40) d'un premier mode de réalisation d'une structure d'aimants 100 selon l'invention (N=4) qui est le mode de réalisation préféré de l'invention ; sur cette figure, chaque aimant est représenté par un rectangle aux angles arrondis et a une direction de son vecteur magnétisation permanent, projeté dans le plan de la figure 1 comprenant les directions S et Z, illustré par une flèche à l'intérieur du rectangle de cet aimant,
[Fig. 2] la figure 2 est une vue de face des quatre poutres 10, 20, 30, 40 portant les aimants pour les séries d'aimants 1 et 2 du premier mode de réalisation de structure 100 d'aimants selon l'invention; sur cette figure, chaque aimant est représenté par un carré aux angles arrondis et a une direction de son vecteur magnétisation permanent, projeté dans le plan de la figure 2 comprenant les directions X et Z, illustré par une flèche à l'intérieur du carré de cet aimant,
[Fig. 3] la figure 3 est une vue de face des quatre mêmes poutres 10, 20, 30, 40 de la figure 2, portant les aimants pour les séries d'aimants 3 et 4 du premier mode de réalisation de structure 100 d'aimants selon l'invention ; sur cette figure, chaque aimant est représenté par un carré aux angles arrondis et a une direction de son vecteur magnétisation permanent, projeté dans le plan de la figure 3 comprenant les directions X et Z, illustré par une flèche à l'intérieur du carré de cet aimant,
[Fig. 4] la figure 4 illustre :
- Dans sa partie supérieure, l'angle 0s en fonction de l'angle 0x pour des valeurs de 0s et 0X pour lesquelles la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 : BZ=BX
- Dans sa partie inférieure, la valeur de BZ=BX en fonction de 0x.
[Fig. 5] la figure 5 illustre :
- Dans sa partie supérieure, la valeur de Bx et Bz en fonction de 0x selon deux hypothèses : o Une première courbe 11 pour laquelle est considéré un champ rémanent Br de chaque aimant de 1 Tesla o Une deuxième courbe 12 pour laquelle est considéré un champ rémanent Br de chaque aimant de 2 Tesla.
- Dans sa partie inférieure, deux courbes 110, 120 quasi superposées de l'angle 0s en fonction de l'angle 0X correspondant aux cas des deux courbes 11 et 12.
[Fig. 6] la figure 6, obtenue sur le même principe que la partie supérieure de la figure 4 ou la partie inférieure de la figure 5, illustre l'angle 0s en fonction de l'angle 0X pour des valeurs de 0s et 0x pour lesquelles la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100, avec différentes courbes correspondant à différentes valeurs de la distance G.
[Fig. 7] la figure 7 illustre l'angle 0s en fonction de l'angle 0x pour des valeurs de 0s et 0x pour lesquelles la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 et est maximale, pour différentes valeurs de la distance G (dans ce cas G=Gx=Gz) qui est la distance entres les bords des poutres 10, 20, 30, 40 se faisant face.
[Fig. 8] la figure 8 illustre :
- Une courbe 210 de 0x en fonction de G, et
- Une courbe 220 de 0s en fonction de G, pour des valeurs de 0s et 0x pour lesquelles la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 et maximale
[Fig. 9] la figure 9 illustre l'angle 0s en fonction de l'angle 0x pour différentes valeurs de période spatiale Àu, et pour lesquelles la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 et maximale
[Fig. 10] la figure 10 illustre sur l'axe vertical des valeurs d'angle 0 correspondant à 0x ou 0s : - Des points d'une courbe 310 de 0x en fonction de la période spatiale Àu, et
- Des points d'une courbe 320 de 0s en fonction de la période spatiale Àu, pour des valeurs de 0s et 0X pour lesquelles la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 et maximale
[Fig. il] la figure 11 illustre les valeurs des champs magnétiques Bx et Bz générés par la structure 100 en fonction de la position longitudinale S au centre des quatre aimants de chaque série 1, 2, 3 ou 4, hors vide ou au centre d'une chambre à vide de l'onduleur 1000 comprenant la structure 100,
[Fig. 12] la figure 12 est une généralisation à N =6 séries d'aimants ; chaque aimant (correspondant à une unique poutre du bas 10 ou 40) est représenté par un rectangle aux angles arrondis et a une direction de son vecteur magnétisation permanent, projeté dans le plan de cette figure comprenant les directions S et Z, illustré par une flèche à l'intérieur du rectangle de cet aimant, [Fig. 13] la figure 13 est une généralisation à N=8 séries d'aimants ; chaque aimant (correspondant à une unique poutre du bas 10 ou 40) est représenté par un rectangle aux angles arrondis et a une direction de son vecteur magnétisation permanent, projeté dans le plan de cette figure comprenant les directions S et Z, illustré par une flèche à l'intérieur du rectangle de cet aimant, [Fig. 14] la figure 14 est une généralisation à N = 10 séries d'aimants ; chaque aimant (correspondant à une unique poutre du bas 10 ou 40) est représenté par un rectangle aux angles arrondis et a une direction de son vecteur magnétisation permanent, projeté dans le plan de cette figure comprenant les directions S et Z, illustré par une flèche à l'intérieur du rectangle de cet aimant [Fig. 15] la figure 15 est une vue de profil de six séries 1, 5, 2, 3, 6, et 4 d'aimants (chaque série comprenant un aimant d'une des poutres 10, 20, 30, 40) d'un deuxième mode de réalisation d'une structure d'aimants 200 selon l'invention ; sur cette figure, chaque aimant est représenté par un rectangle aux angles arrondis et a une direction de son vecteur magnétisation permanent, projeté dans le plan de la figure 15 comprenant les directions S et Z, illustré par une flèche à l'intérieur du rectangle de cet aimant,
[Fig. 16] la figure 16 illustre l'angle 0s en fonction de l'angle 0X pour des valeurs de 0s et 0X pour lesquelles la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 200 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 200 et est maximale, pour différentes valeurs de la distance G (dans ce cas G=Gx=Gz) qui est la distance entres les bords des poutres 10, 20, 30, 40 se faisant face.
[Fig. 17] la figure 17 illustre :
- Une courbe 210 de 0x en fonction de G, et
- Une courbe 220 de 0s en fonction de G, pour des valeurs de 0s et 0X pour lesquelles la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 200 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 200 et maximale
[Fig. 18] la figure 18 illustre l'angle 0s en fonction de l'angle 0X pour différentes valeurs de période spatiale Àu, et pour lesquelles la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 200 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 200 et maximale
[Fig. 19] la figure 19 illustre sur l'axe vertical des valeurs d'angle 0 correspondant à 0X ou 0s :
- Des points d'une courbe 310 de 0x en fonction de la période spatiale Àu, et
- Des points d'une courbe 320 de 0s en fonction de la période spatiale Àu, pour des valeurs de 0s et 0X pour lesquelles la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 200 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 200 et maximale.
En référence à la figure 11, dans toute la présente description, on dira que la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 ou 200 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 ou 200 (BZ=BX), lorsque :
- L'amplitude de Bz, au centre des quatre poutres 10, 20, 30, 40 (la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 ou 200 ayant une valeur qui varie en fonction de la position selon S), est égale à : - L'amplitude de Bx, au centre des quatre poutres 10, 20, 30, 40 (la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 ou 200 ayant une valeur qui varie en fonction de la position selon S).
Autrement dit, les champs crêtes de Bz et Bx sont égaux, et les champs Bz et Bx peuvent être déphasés.
Ces modes de réalisation n'étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites ou illustrées par la suite isolées des autres caractéristiques décrites ou illustrées (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, et/ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou à différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
On va tout d'abord décrire, en référence aux figures 1 à 11, un premier mode de réalisation préférentiel de structure 100 d'aimants selon l'invention.
Cette nouvelle structure magnétique 100 est dérivée d'une structure de Halbach et comporte une orientation particulière du vecteur magnétisation pour une tenue des aimants optimale, et est appliquée de préférence à la construction des onduleurs générant de la polarisation elliptique.
Dans ce mode de réalisation, la structure 100 d'aimants comprend quatre séries successives (première série référencée 1 sur les figures puis deuxième série référencée 2 sur les figures puis troisième série référencée 3 sur les figures puis quatrième série référencée 4 sur les figures, dans cet ordre le long de la direction S) d'aimants permanents installés périodiquement le long d'une direction S (aussi notée Y) avec une période spatiale Àu, dont une première, deuxième, troisième et quatrième séries. Ces quatre séries 1, 2, 3, 4 sont représentées une seule fois sur la figure 1, mais sont en réalité répétées de manière périodique le long de la direction S typiquement quelques dizaines ou centaines de fois. Chaque série 1, 2, 3, 4 comprend (de préférence uniquement comme aimant) :
- un aimant d'une première poutre référencée 10 sur les figures, cette poutre s'étendant selon la direction S,
- un aimant d'une deuxième poutre référencée 20 sur les figures, cette poutre s'étendant selon la direction S,
- un aimant d'une troisième poutre référencée 30 sur les figures, cette poutre s'étendant selon la direction S,
- un aimant d'une quatrième poutre référencée 40 sur les figures, cette poutre s'étendant selon la direction S.
Les aimants de chaque poutre 10, 20, 20, 40 se succèdent le long de la direction S.
La première poutre 10 et la deuxième poutre 20 sont parallèles et se succèdent le long d'une direction Z perpendiculaire à la direction S.
La quatrième poutre 40 et la troisième poutre 30 sont parallèles et se succèdent le long de la direction Z.
La troisième poutre 30 et la deuxième poutre 20 se succèdent le long d'une direction X perpendiculaire aux directions S et Z.
La quatrième poutre 40 et la première poutre 10 se succèdent le long de la direction X.
Ainsi, dans une vue de coupe comprenant les directions X et Z :
- La poutre 10 est située en bas à droite par rapport au centre de ces quatre poutres
- La poutre 20 est située en haut à droite par rapport au centre de ces quatre poutres
- La poutre 30 est située en haut à gauche par rapport au centre de ces quatre poutres
- La poutre 40 est située en bas à gauche par rapport au centre de ces quatre poutres
Le vecteur magnétisation (qui conduit à une aimantation permanente, mais pas à une aimantation temporaire d'un électro aimant), de chaque aimant de chaque poutre 10, 20, 30, 40 a une composante non nulle le long de chacune des directions X, S et Z.
En référence aux figures 1, 2 et 3, on remarque que :
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la deuxième poutre 20 et de la troisième 30 poutre a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle (autour de l'axe X) de -0x pour la première série 1 o un angle (autour de l'axe X) de +0x pour la deuxième série 2 o un angle (autour de l'axe X) de -0x-18O° pour la troisième série 3 o un angle (autour de l'axe X) de 0x-18O° pour la quatrième série 4
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la première poutre 10 et de la quatrième poutre 40 a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle (autour de l'axe X) de 0x pour la première série 1 o un angle (autour de l'axe X) de -0x pour la deuxième série 2 o un angle (autour de l'axe X) de 0x-18O° pour la troisième série 3 o un angle (autour de l'axe X) de -0x-18O° pour la quatrième série
4
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la première série 1 et de la deuxième 2 série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle (autour de l'axe S) de -0s pour la première poutre 10 o un angle (autour de l'axe S) de 0s pour la deuxième poutre 20 o un angle (autour de l'axe S) de -0s pour la troisième poutre 30 o un angle (autour de l'axe S) de 0s pour la quatrième poutre 40
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la troisième série 3 et de la quatrième 4 série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle (autour de l'axe S) de -0s-18O° pour la première poutre 10 o un angle (autour de l'axe S) de 0s-18O° pour la deuxième poutre 20 o un angle (autour de l'axe S) de -0s-18O° pour la troisième poutre 30 o un angle (autour de l'axe S) de 0s-18O° pour la quatrième poutre 40.
0x est différent de 0°, 90°, 180° ou 270°, de préférence à ± 1°, voir même de préférence à ± 5°. 0s est différent de 0°, 90°, 180° ou 270°, de préférence à ± 1°, voir même de préférence à ± 5°.
0s est différent de 45°, 135°, 225° ou 315°, de préférence à ± 1°, voir même de préférence à ± 2°.
La figure 4 illustre :
- Dans sa partie supérieure, l'angle 0s en fonction de l'angle 0x pour des valeurs de 0s et 0X pour lesquelles la composante Bz selon la direction Z du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 est égale à la composante Bx selon la direction X du champ magnétique généré par la structure d'aimants 100 : BZ=BX
- Dans sa partie inférieure, la valeur de BZ=BX en fonction de 0x.
Cette figure 4 est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de simulation de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm = 10 mm selon l'axe S
Àu= 40 mm
Gz = Gx = 1 mm
Champ rémanent Br de 1,67T
En référence à la figure 4, on remarque qu'il existe un couple 0s et 0x pour lequel la valeur de BZ=BX est maximum.
La figure 5 est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de simulation de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm selon l'axe S
Àu= 40 mm
Gz = Gx = 1 mm
Champ rémanent Br de 1 ou 2 T.
En référence à la figure 5, on remarque que les valeurs de 0s et 0x pour lesquelles la valeur de BZ=BX est maximum ne dépendent pas du champ rémanent Br de chaque aimant.
En référence aux figures 1, 2 et 3, on remarque que : - la première poutre 10 et la deuxième 20 poutre sont distantes d'une distance (aussi appelée entrefer) Gz le long de la direction Z,
- la quatrième poutre 40 et la troisième poutre 30 sont distantes de la distance Gz le long de la direction Z,
- la troisième poutre 30 et la deuxième poutre 20 sont distantes d'une distance (aussi appelée entrefer) Gx le long de la direction X,
- la quatrième poutre 40 et la première poutre 10 sont distantes de la distance Gx le long de la direction X.
Gx est typiquement compris dans l'intervalle [1mm ; 250 mm], de préférence dans l'intervalle [1mm ; 50mm], et/ou Gz est typiquement compris dans l'intervalle [1 mm ; 250 mm], de préférence dans l'intervalle [1 mm ; 50mm].
Ces valeurs de Gx ou Gz conduisent à une ouverture circulaire (pour un passage d'un faisceau au centre des poutres 10, 20, 30, 40) dont le diamètre est supérieur à Gx et Gz et dépend de Gx, Gz et des chanfreins aux coins des aimants.
La valeur du chanfrein est calculée suivant :
ChanfreinZ = DiamGapCirculaire/racine(2)-Gz
ChanfreinX = DiamGapCirculaire/racine(2)-Gx
Avec ChanfreinZ, DiamGapCirculaire et ChanfreinX tels que définis en figure 3.
Gx est égal, ou sensiblement égal à ± 500 pm près, de préférence à ± 200 pm près, à Gz, et est noté dans ce cas dans la présente description distance (aussi appelée entrefer) G.
La figure 6 est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de simulation de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm selon l'axe S
Àu= 40 mm
Gz = Gx = G de valeur variable entre 1 mm et 51 mm
Champ rémanent Brde 1,67 T.
La figure 7 est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de simulation de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm selon l'axe S
Àu= 40 mm
Gz = Gx = G de valeur variable entre 1 mm et 51 mm
Champ rémanent Brde 1,67 T.
La figure 8 est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de simulation de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm selon l'axe S
Àu= 40 mm
Gz = Gx = G de valeur variable entre 1 mm et 51 mm
Champ rémanent Brde 1,67 T.
Une interpolation donne : s=42,4-10, 8. exp(-0, 059. G)
0x=18,4+34,4.exp(-O,O35.G)
Avec 0s et 0X exprimés en degré (°) et G exprimé en mm.
En référence aux figures 6, 7 et 8, on remarque que les valeurs idéales de 0s et 0x pour lesquelles la valeur de BZ=BX est maximum dépendent de G. Des exemples de ces valeurs idéales en fonction de G sont notées dans la table ci- dessous avec les hypothèses des figures 6 à 8 : 50 24 42
[Tablet]
En outre, on remarque que un couple optimal (BX=BZ et maximum) de valeurs de 0s et 0X à un entrefer G conduit à Bz = Bx (mais pas nécessairement maximum) pour tous les autres entrefers G testés.
La figure 9 est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de simulation de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm selon l'axe S
Àu variable de 20 à 70 mm
Gz = Gx = G = 1 mm
Champ rémanent Brde 1,67 T.
La figure 10 est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de simulation de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm selon l'axe S
Àu variable de 20 à 70 mm
Gz = Gx = G = 1 mm
Champ rémanent Brde 1,67 T.
Une interpolation donne :
05=27+13. exp(-0, 024. Àu)
0x=56-24,7.exp(-O,O36. Àu)
Avec 0s et 0X exprimés en degré (°) et Àu exprimé en mm.
Ainsi, en référence aux figures 9 et 10, on remarque que les valeurs idéales de 0s et 0X pour lesquelles la valeur de BZ=BX est maximum dépendent de Àu. Des exemples de ces valeurs idéales en fonction de Àu sont notées dans la table ci-dessous avec les hypothèses des figures 9 et 10 :
[Table 2]
Ainsi, en fonction des expériences et simulations réalisées dans le cadre de la présente invention, on remarque que :
Sx est typiquement compris dans l'intervalle ]5° ; 80°], de préférence dans l'intervalle [24° ; 54°].
0s est typiquement compris dans l'intervalle ]5° ; 43°[, de préférence dans l'intervalle [30° ; 42°].
Àu est typiquement compris dans l'intervalle [15 mm; 200 mm], de préférence dans l'intervalle [20mm ; 70mm].
De manière empirique, il a été déterminé par interpolation que la valeur optimale de Sx exprimé en ° (pour laquelle BX=BZ et est maximale) est égale à :
Sx (G; Àu) = Offsetl + AGapl*exp(BGapl * G) +
APeriodel*exp(BPeriodel * Àu) à ±10% près, de préférence à ±5% près avec :
Offsetl =33.634 ± 0.17
AGapl =29.434 ± 0.109
BGapl =-0.041763 ± 0.000374
APeriodel =-39.534 ± 0.104
BPeriodel =-0.027176 ± 0.000263
Dans cette formule, G est exprimé en mm et Àu est exprimé en mm.
De manière empirique, il a été déterminé par interpolation que la valeur optimale de 0s exprimé en ° (pour laquelle BX=BZ et est maximale) est égale à : 0s (G; Àu) = Offset2 + AGap2*exp(BGap2 * G) + APeriode2*exp(BPeriode2 *
Àu) à ±5% près, de préférence à ±2% près
Offset2 =35.233 ± 0.147
AGap2 =-10.382 ± 0.0218
BGap2 =-0.066698 ± 0.000476
APeriode2 =13.866 ± 0.0918
BPeriode2 =-0.015736 ± 0.000349
Dans cette formule, G est exprimé en mm et Àu est exprimé en mm.
Ainsi, la structure 100 est de préférence agencée pour générer un champ magnétique avec sa composante Bz le long de la direction Z égale, ou sensiblement égale à ±5% de préférence à ±1% à entrefer minimum, à sa composante Bx le long de la direction X.
A partir de la structure 100 ou 200, on construit un mode de réalisation d'onduleur 1000 (non illustré) selon l'invention comprenant :
- la structure d'aimants 100 ou 200,
- une chambre à vide disposée : o à l'intérieure de la structure d'aimants, entre les (de préférence au centre des) quatre poutres 10, 20, 30, 40, ou o autour de la structure d'aimants de sorte que les aimants de la structure à aimants soient situés à l'intérieur du vide,
- de préférence un système de refroidissement cryogénique (de préférence à l'azote ou à l'hélium) agencé pour refroidir les aimants de la structure à aimants (de préférence lorsque la chambre à vide est disposée autour de la structure à aimants).
Dans un mode de réalisation de procédé selon l'invention, on génère un champ magnétique au moyen de la structure d'aimants 100 ou 200 ou de l'onduleur 1000. Le champ magnétique est généré avec sa composante Bz le long de la direction Z égale, ou sensiblement égale à ±5% de préférence à ±1% à entrefer minimum, à sa composante Bx le long de la direction X.
On peut en outre régler la distance Gx et/ou Gz et/ou G.
La figure 11, qui illustre les champs Bx et Bz obtenus par la structure 100, est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de calcul de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm selon l'axe S
Àu = 40 mm
Gz = Gx = G = 1 mm
Champ rémanent Brde 1,67 T.
Ainsi, selon l'invention, la nouvelle structure proposée 100 ou 200produit un champ magnétique (avec une polarisation elliptique) aussi important que la structure de Halbach et permet de répondre à la problématique de tenue des aimants. En effet, tous les aimants sont magnétisés suivant 3 directions (verticale, horizontale et longitudinale). Le fait d'incliner le vecteur de magnétisation selon la direction longitudinale permet de maintenir collés deux aimants naturellement. Il est ainsi plus aisé de maintenir un bloc de deux aimants collés naturellement qu'un aimant seul moins épais soumis à des forces opposées ou deux aimants collés par d'autres moyens non naturels (soudure, colle, vis, ...).
La nouvelle structure 100 ou 200 proposée permet de répondre à cette problématique, tout en conservant le fait que les composantes Bz, Bx de champ dans les deux plans soient toujours équivalentes.
Pour ce faire, tous les aimants ont un vecteur magnétisation orienté suivants 3 directions (horizontale, verticale et longitudinale). L'inclinaison du vecteur magnétisation dans le plan longitudinal va permettre à certains aimants de se coller naturellement deux à deux, constituant ainsi un bloc de deux aimants solidaires. Ainsi, nul besoin de souder/coller les aimants entre eux.
En outre, on notera qu'il n'est pas évident de magnétiser un bloc d'aimant permanent dans trois directions car le bloc doit être compacté dans la direction de son vecteur magnétisation.
Ainsi, dans un procédé de fabrication selon l'invention d'une structure 100 ou 200 selon l'invention, on compacte des aimants permanents plus gros que la taille finale désirée selon une direction de compactage parallèle à le vecteur magnétisation de ces aimants, puis on usine chaque aimant (« en biais ») pour lui donner sa forme avec la direction désirée de son vecteur magnétisation (par rapport à l'orientation de certaines de ses faces planes finales).
Enfin, on notera que, au lieu de quatre séries 1, 2, 3, 4, tous les modes de réalisation de l'invention précédemment décrits sont généralisables à un nombre N de séries d'aimants permanents installés périodiquement le long de la direction S avec la période spatiale Àu.
N est un nombre entier positif.
N est de préférence un nombre pair.
N est de préférence supérieur ou égal à quatre.
N est de préférence inférieur ou égal à huit ou dix.
N peut par exemple être égal à quatre, six, ou huit.
Par exemple, dans des modes de réalisation à N séries d'aimants permanents installés périodiquement le long de la direction S avec la période spatiale Àu et toujours à quatre poutres 10, 20, 30, 40 :
- la figure 12 est une généralisation à N=6 séries d'aimants ; chaque aimant (correspondant à une unique poutre du bas 10 ou 40) est représenté par un rectangle aux angles arrondis et a une direction de son vecteur magnétisation permanent, projeté dans le plan de cette figure comprenant les directions S et Z, illustré par une flèche à l'intérieur du rectangle de cet aimant ; ainsi, la structure pour N=6 comprend les séries d'aimants référencées 1, 2, 3, 4 du cas N =4, plus deux séries d'aimants supplémentaires référencées 5 et 6 ; Ainsi chaque période spatiale Àu comprend les séries 1, 5, 2, 3, 6, 4 dans cet ordre le long de la direction S ;
- la figure 13 est une généralisation à N=8 séries d'aimants ; chaque aimant (correspondant à une unique poutre du bas 10 ou 40) est représenté par un rectangle aux angles arrondis et a une direction de son vecteur magnétisation permanent, projeté dans le plan de cette figure comprenant les directions S et Z, illustré par une flèche à l'intérieur du rectangle de cet aimant ; ainsi, la structure pour N=8 comprend les séries d'aimants référencées 1, 2, 3, 4 du cas N =4, plus quatre séries d'aimants supplémentaires référencées 7, 8, 9 et 13 ; Ainsi chaque période spatiale Àu comprend les séries 1, 7, 8, 2, 3, 9, 13, 4 dans cet ordre le long de la direction S ;
- la figure 14 est une généralisation à N = 10 séries d'aimants ; chaque aimant (correspondant à une unique poutre du bas 10 ou 40) est représenté par un rectangle aux angles arrondis et a une direction de son vecteur magnétisation permanent, projeté dans le plan de cette figure comprenant les directions S et Z, illustré par une flèche à l'intérieur du rectangle de cet aimant ; ainsi, la structure pour N = 10 comprend les séries d'aimants référencées 1, 2, 3, 4 du cas N =4, plus deux séries d'aimants supplémentaires référencées 5 et 6 du cas N =6, plus quatre séries d'aimants supplémentaires référencées 7, 8, 9 et 13 du cas N =8 ; Ainsi chaque période spatiale Àu comprend les séries 1, 7, 5, 8, 2, 3, 9, 6, 13, 4 dans cet ordre le long de la direction S.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 12 et 15 à 19, le deuxième mode de réalisation de structure d'aimants 200 selon l'invention, qui ne sera décrite que pour ses différences par rapport à la première structure 100.
Les figures 12 et 15 qui illustrent une généralisation à N=6 séries d'aimants de la structure 100.
Cette structure 200 comprend toujours les quatre poutres 10, 20, 30, 40.
Le nombre N de séries est égal à 6.
Par rapport à la structure 100, les séries d'aimants de la structure 200 comprennent en outre :
- Une cinquième série 5 entre la première série 1 et la deuxième série 2
- Une sixième série 6 entre la troisième série 3 et la quatrième série 4 de sorte que les séries comprenant les première, cinquième, deuxième, troisième, sixième et quatrième séries successives dans cet ordre le long de la direction S.
Le vecteur magnétisation de chaque aimant de la deuxième poutre et de la troisième poutre a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de 0° pour la cinquième série o un angle de 180° pour la sixième série
Le vecteur magnétisation de chaque aimant de la première poutre et de la quatrième poutre a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de 0° pour la cinquième série o un angle de 180° pour la sixième série Le vecteur magnétisation de chaque aimant de la cinquième série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z (comme pour la figure 2): o un angle de -0s pour la première poutre o un angle de 0s pour la deuxième poutre o un angle de -0s pour la troisième poutre o un angle de 0s pour la quatrième poutre
Le vecteur magnétisation de chaque aimant de la sixième série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z (comme pour la figure 3) : o un angle de -0s-18O° pour la première poutre o un angle de 0s-18O° pour la deuxième poutre o un angle de -0s-18O° pour la troisième poutre o un angle de 0s-18O° pour la quatrième poutre.
Les directions des vecteurs magnétisation des aimants des séries 1, 23, 3 et 4 ne changent pas par rapport à la structure 100.
Ainsi, pour au moins quatre séries successives d'aimants d'une période spatiale Àu, le vecteur magnétisation de chaque aimant de chaque poutre a une composante non nulle le long de chacune des directions X, S et Z
Les figures respectivement 16, 17, 18 et 19 pour N =6 de la structure 200 sont les figures équivalentes des figures respectivement 7, 8, 9 et 10 pour N =4 de la structure 100.
Les Tables 2 et 3 pour N =6 de la structure 200 sont les tables équivalentes des tables respectivement 1 et 2 pour N =4 de la structure 100.
La figure 16 est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de simulation de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm selon l'axe S
Àu= 40 mm
Gz = Gx = G de valeur variable entre 1 mm et 51 mm
Champ rémanent Brde 1,67 T.
La figure 17 est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de simulation de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm selon l'axe S
Àu= 40 mm
Gz = Gx = G de valeur variable entre 1 mm et 51 mm
Champ rémanent Brde 1,67 T.
En référence aux figures 16 et 17, on remarque que les valeurs idéales de 0s et 0x pour lesquelles la valeur de BZ=BX est maximum dépendent de G. Des exemples de ces valeurs idéales en fonction de G sont notées dans la table ci- dessous avec les hypothèses des figures 16 et 17 :
[Table 3]
On remarque que 0S pour N =6 est quasi similaire à la structure à 4 aimants pour N=4.
La figure 18 est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de simulation de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm selon l'axe S
Àu variable de 20 à 70 mm
Gz = Gx = G = 1 mm
Champ rémanent Brde 1,67 T.
La figure 19 est obtenue par simulation numérique au moyen d'un logiciel de simulation de champ magnétique (RADIA) qui calcule le champ magnétique généré par un aimant permanent ou un séquencement d'aimants permanents avec les hypothèses suivantes : des aimants de dimensions transverses 35 mm x 35 mm selon les axes X et Z et de dimension Àu/N mm selon l'axe S
Àu variable de 20 à 70 mm
Gz = Gx = G = 1 mm
Champ rémanent Brde 1,67 T.
Ainsi, en référence aux figures 18 et 19, on remarque que les valeurs idéales de 0X pour lesquelles la valeur de BZ=BX est maximum dépendent de Àu. Des exemples de ces valeurs idéales en fonction de Àu sont notées dans la table ci-dessous avec les hypothèses des figures 18 et 19 :
[Table 4]
Pour N=6, on remarque que 0S est constant quel que soit la valeur de la période Àu dans l'intervalle exploré.
0x est typiquement compris dans l'intervalle ]5° ; 80°], de préférence dans l'intervalle [28° ; 72°].
0s est typiquement compris dans l'intervalle ]5° ; 43°[, de préférence dans l'intervalle [34° ; 42°].
De manière empirique, il a été déterminé par interpolation que la valeur optimale de 0s exprimé en ° (pour laquelle BX=BZ et est maximale) est égale à :
0s (G; Àu) = Offsets + AGap3*exp(BGap3 * G) + APeriode3*exp(BPeriode3 * Àu) à ±7% près, de préférence à ±3% près avec :
Off3 =37.222 ± 0.201
AGap3 =-9.6508 ± 0.0384
BGap3 =-0.038257 ± 0.000448
APeriode3 =12.099 ± 0.13
BPeriode3 =-0.01507 ± 0.000503
Dans cette formule, G est exprimé en mm et Àu est exprimé en mm.
De manière empirique, il a été déterminé par interpolation que la valeur optimale de 0x exprimé en ° (pour laquelle BX=BZ et est maximale) est égale à :
0x (G; Àu) = Offset4 + AGap4*exp(BGap4 * G) +
APeriode4*exp(BPeriode4 * Àu) à ±4% près, de préférence à ±3% près avec :
Off4 =49.848 ± 0.3
AGap4 =41.206 ± 0.0801
BGap4 =-0.038149 ± 0.000217
APeriode4 =-54.559 ± 0.148
BPeriode4 =-0.018134 ± 0.000223
Dans cette formule, G est exprimé en mm et Àu est exprimé en mm. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure d'aimants comprenant un nombre N de séries (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 13) d'aimants permanents installés périodiquement le long d'une direction S avec une période spatiale Àu, N étant supérieur ou égal à quatre, chaque série comprenant :
- un aimant d'une première poutre (10)
- un aimant d'une deuxième poutre (20)
- un aimant d'une troisième poutre (30)
- un aimant d'une quatrième poutre (40) les aimants de chaque poutre se succédant le long de la direction S, la première poutre et la deuxième poutre se succédant le long d'une direction Z perpendiculaire à la direction S, la quatrième poutre et la troisième poutre se succédant le long de la direction Z, la troisième poutre et la deuxième poutre se succédant le long d'une direction X perpendiculaire aux directions S et Z, la quatrième poutre et la première poutre se succédant le long de la direction X, caractérisée en ce que, pour au moins quatre séries successives (1, 2, 3, 4) d'aimants d'une période spatiale Àu, le vecteur magnétisation de chaque aimant de chaque poutre a une composante non nulle le long de chacune des directions X, S et Z.
2. Structure d'aimants selon la revendication 1, caractérisée en ce que les séries comprennent une première, deuxième, troisième et quatrième séries successives dans cet ordre, et en ce que :
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la deuxième poutre et de la troisième poutre a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de -0X pour la première série o un angle de +0x pour la deuxième série o un angle de -0x-18O° pour la troisième série o un angle de 0x-18O° pour la quatrième série - le vecteur magnétisation de chaque aimant de la première poutre et de la quatrième poutre a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de 0X pour la première série o un angle de -0X pour la deuxième série o un angle de 0x-18O° pour la troisième série o un angle de -0x-18O° pour la quatrième série
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la première série et de la deuxième série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de -0s pour la première poutre o un angle de 0s pour la deuxième poutre o un angle de -0s pour la troisième poutre o un angle de 0s pour la quatrième poutre
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la troisième série et de la quatrième série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de -0s-18O° pour la première poutre o un angle de 0s-18O° pour la deuxième poutre o un angle de -0s-18O° pour la troisième poutre o un angle de 0s-18O° pour la quatrième poutre.
3. Structure d'aimants selon la revendication 2, caractérisée en ce que 0x est différent de 0°, 90°, 180° ou 270°, de préférence à ± 1°, voir même de préférence à ± 5°.
4. Structure d'aimants selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisée en ce que 0xest compris dans l'intervalle ]5° ; 80°], de préférence dans l'intervalle [24° ; 72°].
5. Structure d'aimants selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que 0s est différent de 0°, 90°, 180° ou 270°, de préférence à ± 1°, voir même de préférence à ± 5°.
6. Structure d'aimants selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que 0s est différent de 45°, 135°, 225° ou 315°, de préférence à ± 1°, voir même de préférence à ± 2°.
7. Structure d'aimants selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que 0s est compris dans l'intervalle ]5° ; 43°[, de préférence dans l'intervalle [30° ; 42°].
8. Structure d'aimants selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que le nombre N de séries est égal à 4.
9. Structure d'aimants selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que le nombre N de séries est égal à 6, et en ce que les séries comprennent en outre :
- Une cinquième série entre la première et la deuxième série
- Une sixième série entre la troisième et la quatrième série de sorte que les séries comprennent les première, cinquième, deuxième, troisième, sixième et quatrième séries successives dans cet ordre
, et en ce que :
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la deuxième poutre et de la troisième poutre a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de 0° pour la cinquième série o un angle de 180° pour la sixième série
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la première poutre et de la quatrième poutre a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et S, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de 0° pour la cinquième série o un angle de 180° pour la sixième série
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la cinquième série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de -0s pour la première poutre o un angle de 0s pour la deuxième poutre o un angle de -0s pour la troisième poutre o un angle de 0s pour la quatrième poutre
- le vecteur magnétisation de chaque aimant de la sixième série a, dans une projection dans un plan comprenant les directions Z et X, une direction qui forme, avec la direction Z : o un angle de -0s-18O° pour la première poutre o un angle de 0s-18O° pour la deuxième poutre o un angle de -0s-18O° pour la troisième poutre o un angle de 0s-18O° pour la quatrième poutre.
10. Structure d'aimants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que Àu est compris dans l'intervalle [15 mm ; 200 mm], de préférence dans l'intervalle [20mm ; 70mm].
11. Structure d'aimants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que :
- la première poutre et la deuxième poutre sont distantes d'une distance Gz le long de la direction Z,
- la quatrième poutre et la troisième poutre sont distantes de la distance Gz le long de la direction Z,
- la troisième poutre et la deuxième poutre sont distantes d'une distance Gx le long de la direction X,
- la quatrième poutre et la première poutre sont distantes de la distance Gx le long de la direction X.
12. Structure d'aimants selon la revendication 11, caractérisée en ce que Gx est compris dans l'intervalle [1mm ; 250 mm], de préférence dans l'intervalle [1mm ; 50mm], et/ou Gz est compris dans l'intervalle [1mm ; 250 mm], de préférence dans l'intervalle [1mm ; 50mm].
13. Structure d'aimants selon la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce que Gx est égal, ou sensiblement égal à ±500pm près, de préférence à ±200pm près, à Gz, noté par la suite G.
14. Structure d'aimants selon la revendication 13 considérée comme dépendante de la revendication 8, caractérisée en ce que 0x est égal à :
0x (G; Àu) = Offsetl + AGapl*exp(BGapl * G) + APeriodel*exp(BPeriodel * Àu) à ±10% près, de préférence à ±5% près avec :
Offsetl =33.634 ± 0.17
AGapl =29.434 ± 0.109
BGapl =-0.041763 ± 0.000374
APeriodel =-39.534 ± 0.104
BPeriodel =-0.027176 ± 0.000263
15. Structure d'aimants selon la revendication 13 ou 14 considérée comme dépendante de la revendication 8, caractérisée en ce que 0s est égal à :
0s (G; Àu) = Offset2 + AGap2*exp(BGap2 * G) + APeriode2*exp(BPeriode2 *
Àu) à ±5% près, de préférence à ±2% près
Offset2 =35.233 ± 0.147
AGap2 =-10.382 ± 0.0218 BGap2 =-0.066698 ± 0.000476
APeriode2 =13.866 ± 0.0918
BPeriode2 =-0.015736 ± 0.000349
16. Structure d'aimants selon la revendication 13 considérée comme dépendante de la revendication 9, caractérisée en ce que 0x est égal à :
0x (G; Àu) = Offset4 + AGap4*exp(BGap4 * G) +
APeriode4*exp(BPeriode4 * Àu) à ±4% près, de préférence à ±3% près avec :
Off4 =49.848 ± 0.3
AGap4 =41.206 ± 0.0801
BGap4 =-0.038149 ± 0.000217
APeriode4 =-54.559 ± 0.148
BPeriode4 =-0.018134 ± 0.000223
17. Structure d'aimants selon la revendication 13 ou 14 considérée comme dépendante de la revendication 9, caractérisée en ce que 0s est égal à :
0s (G; Àu) = Offsets + AGap3*exp(BGap3 * G) +
APeriode3*exp(BPeriode3 * Àu) à ±7% près, de préférence à ±3% près avec :
Off3 =37.222 ± 0.201
AGap3 =-9.6508 ± 0.0384
BGap3 =-0.038257 ± 0.000448
APeriode3 =12.099 ± 0.13
BPeriode3 =-0.01507 ± 0.000503
18. Structure d'aimants selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est agencée pour générer un champ magnétique avec sa composante le long de la direction Z égale, ou sensiblement égale à ±5% de préférence à ±1%, à sa composante le long de la direction X.
19. Onduleur comprenant :
- une structure d'aimants selon l'une quelconque des revendications précédentes,
- une chambre à vide disposée autour ou à l'intérieur de la structure d'aimants entre les quatre poutres.
20. Procédé de génération d'un champ magnétique, caractérisé en ce qu'il est généré au moyen d'une structure d'aimants selon l'une quelconque des revendications 1 à 18 ou d'un onduleur selon la revendication 19. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que le champ magnétique est généré avec sa composante le long de la direction Z égale, ou sensiblement égale à ±5% de préférence à ±1%, à sa composante le long de la direction X.
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