アルゴンヌ国立研究所の Melike Abliz氏による磁石設計の最適化

※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で既に発表されたブログの日本語参考訳です。

チャレンジ

アルゴンヌ国立研究所 (ANL) は、米国エネルギー省 (DOE) 科学局のユーザー施設である ANL の先進光子源 (APS) によって生成された強力な X 線を使用して高度な研究を行っています。 APS は、X 線ビームの輝度を最大 500 倍まで高める包括的なアップグレードが行われています。 APS アップグレード (APS-U) チームは、ハイブリッド永久磁石 (HPPM) アンジュレーターの磁極幅を狭くすることで必要な磁場が得られるかどうかを知りたいと考えていました。彼らが正しいことを行っているかどうかを判断するには、多くの調査が必要でした。物理学の観点から見ると、極を狭くすると磁場が増加するはずです。

また、磁気クロストークは機器の設計段階で測定するのが難しく、多くの場合、物理的な製品をテストすることで評価されますが、APS-U チームは、ストレージ リング磁石間でどの程度の磁気クロストークが発生するかを事前に知る必要がありました。

ソリューション

有限要素解析ソフトウェア スイートである SIMULIA Opera がこの問題の解決策になりました。 Operaは 2D および 3D で電磁システムおよび電気機械システムをシミュレーションできるソフトウェアです。低周波領域での高精度なシミュレーションに優れているので、磁石、電気モーター、電気機械の設計に最適です。

ベネフィット

SIMULIA Opera は、Melike Abliz氏の実験に基き、高精度なシミュレーション結果を導き出しました。これは、HPPM アンジュレーターのポール幅を狭くすることで期待される結果を検証する効果的な方法を提供しました。その結果、APS-U チームはこれらの技術的な進展を設計に反映することができました。

Melike Abliz 氏による磁石設計の最適化

アルゴンヌ国立研究所 (ANL) は、イリノイ州にある米国エネルギー省の科学および工学研究センターです。ここでは、さまざまな分野の科学者が人類の最大の疑問に答えようと日々研究に取り組んでいます。エネルギー、エレクトロニクス、医療用、より優れた材料を設計する方法などを模索している企業もあります。また、生体分子や細胞についての理解を深めたり、脳をマッピングして神経疾患についての理解を深めたりする研究者もいます。これらの多様なプロジェクトにはすべて共通点があります。それは、ANL の先進光子源 (APS) 施設によって生成された強力な X 線を使用しているということです。

この種の高度な研究には明るい X 線光が必要ですが、それはAPS によって生成されます。一連の粒子加速器を使用して電子を高速まで押し上げ、周長 1.1 キロメートルの蓄積リングに電子を注入します。

「電子ビームを蓄積リングに注入し、磁石を使用して加速すると、光子X線が生成され、科学研究のさまざまな分野で使用できます」とANLの物理学者Melike Abliz氏は説明します。 「光子を使用した研究は、材料科学、地球物理学的挙動、医学などの分野で重要な発展を可能にします。たとえば、加速器はがんの治療に使用される光子を生成します。」

より優れて、より明るい X 線ビームの生成

25 年以上の運用を経て、APS はアップグレードされています。 APS アップグレード プロジェクト (APS-U) は、現在の電子蓄積リングを最先端のマルチベンド アクロマート (MBA) 格子（低エミッタンスで高輝度の放射線ビームを生成できる特殊な磁石配置）に置き換える大規模なプロジェクトです。。既存のビームライン（粒子の経路）はプロジェクトの一環として強化され、APS X線ビームの輝度とコヒーレンスの向上を活用するために、新しい機能のビームラインが追加されます。（一部は新しい建物に設置されます）

「ヨーロッパでは、MBA格子蓄積リングがすでに導入され、テストされており、これによりビームサイズを縮小し、加速器からのX線の輝度を高めることができるようになりました」とAbliz氏は述べます。 「ここ米国の APS-U プロジェクトでは、世界中の他の施設よりも高い輝度を目標にしています。現在の機械が提供できるものよりも最大 500 倍明るい X 線が観測され、より高度な研究結果がユーザーに提供されることになります。」

磁石の問題

簡単に言えば、APS は磁石を使用して粒子ビームを偏向します。アンジュレーターやウィグラーなどの挿入デバイスは、ビームの軌道をその経路に沿って複数回偏向させ、X 線の輝度とスペクトルを増加させます。

「粒子ビームが磁場によって偏向されるたびに、光子が放出されます」とアブリズ氏は述べた。 「当社には偏向電磁石ビームライン源（セクター挿入デバイスフロントエンドとして知られる）があり、粒子ビームが通過する際に小刻みに動く永久磁石である挿入デバイスを使用して光子の強度を高めています。ビームの方向が変わるたびに光子が放出され、研究用に非常に明るい X 線が得られます。」

元の電子蓄積リングを MBA 格子構造に置き換えることで、X 線ビームの輝度、コヒーレンス、安定性が向上します。しかし、解像度とコントラストをさらに向上させるために、APS-U チームは、挿入デバイスのジョー間の最小距離であり調整のために移動可能な操作ギャップとX線のエネルギーと強度を減らすことで、光子ビームをより小さいサイズに圧縮したいと考えていました。

「フロントエンドでは、現在のAPSが使用しているものよりも小さなギャップで挿入デバイスを操作する予定です」とAbliz氏は述べています。 「これにより、非常に明るい X 線をユーザーに提供できるようになり、医学や地球物理学的材料などの分野の研究に大きな変化をもたらします。たとえば、より明るい X 線により、サンプルの生物学的構造をより詳細に観察できるようになります。」

クロストークの削減

ストレージリング磁石間にも磁気干渉が発生します。クロストークとしても知られるその影響には、光子の散乱が含まれる可能性があり、研究結果が曖昧になり使用できなくなる可能性があります。

磁気クロストークは機器の設計段階で測定するのが難しく、多くの場合、物理的な製品をテストすることで評価されますが、APS-U チームは、アップグレードが X 線性能にどのような影響を与えるかを事前に正確に把握する必要がありました。

APS-U チームは、Opera を使用して、異なる種類の隣接するリング磁石 (Q2 四重極と M1 縦方向傾斜磁石) 間の磁気クロストークをシミュレーションしました。これらの磁石を制作したら、チームはクロストークを測定し、シミュレーション結果と比較しました。彼らはこの 2 つが正確​​に一致することを発見しました。

シミュレーションがもたらす優れた結果

HPPM アンジュレーターの上部ジョーと下部ジョーの間の磁力を最小限に抑えることは、APS アップグレード チームにとって大きな設計課題でした。オペレーションギャップを現在の10.5mmから8.5mmに減らす必要がありました。問題は、その 2 mm を削り取ると、APS アンジュレーターの磁力が指数関数的に増加することでした。

 「磁力がアンジュレーターにとって強すぎると、ユーザーがギャップを開閉したときにアンジュレーターが適切に機能できなくなり、故障や不整合が発生する可能性があります」とAbliz氏は述べた。 「その結果、アンジュレーターの上下ジョー間の磁力を減らす必要がありました。」

磁極幅を30%狭くすることで、チームは磁力を管理し、8.5mmのギャップで操作してアンジュレーターからの光子の輝度を高めることができるだろう。フィールドロールオフを増加させることなくこれを達成するには、特別な設計スキルが必要になります。

「当社の技術開発の中には、世界のどこでもこれまでに行われたことがないものもあります」とAbliz氏は話しました。 「磁極幅を狭くすることで必要な磁場が得られるかどうかは分かりませんでした。そのため、私たちが行っていることが正しいかどうかを判断するには、多くの調査が必要でした。原理的には、物理​​学の観点から、磁極幅を狭くすると磁場が増加するはずです。しかし、それを確認する方法が必要でした。」

有限要素解析ソフトウェア スイートである SIMULIA Opera がこの問題を解決してくれました。 Opera を使用すると、ユーザーは 2D および 3D で電磁システムおよび電気機械システムをシミュレーションできます。な低周波領域で高精度なシミュレーションが可能なため、磁石、電気モーター、電気機械の設計に最適です。

「Opera は、私の設計実験に基づいた正確なシミュレーション結果を提供できます」とAbliz氏は言います。 「磁極幅を狭くすることで期待される結果を検証する効果的な方法が提供されました。」

さらに、チームはアンジュレーターの高度な設計に基づいてさまざまなシミュレーションを実行しました。アンジュレーターは、周期的に配列された磁石に電子ビームを通過させることによって X 線を生成します。再度アンジュレーターを製作した後、物理テストの結果は、Opera のシミュレーション結果を裏付けました。

APS-Uプロジェクトの研究開発段階の一環として、チームは荷電粒子ビームの分離や偏向に使用されるセプタム磁石の漏れ磁場をキャンセルするための新しい設計コンセプトも導入した。プロトタイプを構築し、その漏れ磁界を測定したところ、Opera シミュレーションとの厳密な一致が再度確認されました。

「シミュレーションを使った私たちの取り組みは、アップグレードされた APS の最終設計パラメータに影響を与えました」とアブリズ氏は述べています。 「私たちは、磁極幅を狭くし、フィールドロールオフを最小限に抑え、HPPM アンジュレーターの磁力を増加させることなく磁場を増加させることで設計を進めました。磁極幅を絞り込んだ後、それらの技術開発を設計に組み込むことで、他のすべてのフィールドの品質に配慮しました。」

未来の挑戦に準備

APS-U プロジェクトが完了に近づく中、Abliz 氏は Opera がその道筋をスムーズにするのに大きく貢献したと評価しています。

「Opera は、私たちが設計に期待するフィールドを提供できます」とアブリズ氏は言います。 「たとえば、他のシミュレーション ツールでは、変更が必要な場合にメッシュサイズを減らすことができません。つまり、正確なフィールド結果を得ることができません。しかし、Opera で新しい磁石設計のすべてのパラメータを設定し、それらをメッシュすると、その磁石がどのように動作するかを非常に正確に示すことができます。」

これらの正確なシミュレーション結果のおかげで、APS ユーザーは、新しいストレージ リングが取り付けられたときに、より明るい X 線から得られるより高度な研究結果を期待できます。

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