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Optimierung der Ansteuerung von Ablenkmagneten in Teilchenbeschleunigern unter besonderer Berücksichtigung halbleiterbasierter Lösungen

Wietoska, Thomas :
Optimierung der Ansteuerung von Ablenkmagneten in Teilchenbeschleunigern unter besonderer Berücksichtigung halbleiterbasierter Lösungen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Optimierung der Ansteuerung von Ablenkmagneten in Teilchenbeschleunigern unter besonderer Berücksichtigung halbleiterbasierter Lösungen
Language: German
Abstract:

Im Bereich der Beschleunigertechnik werden zur Ablenkung des Strahles sehr leistungsfähige Systeme zur Ansteuerung der Ablenkmagnete benötigt. Einerseits sind durch gestiegene Anforderungen die bisher verwendeten Techniken nicht mehr geeignet, und andererseits wird zur Kostenersparnis nach ökonomischeren Lösungen bei der Auslegung von Magnetansteuerungen gesucht. Der Hauptaspekt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung eines Konzeptes zur Auslegung einer Ansteuerung für schnell gepulste Ablenkmagnete (Kickermagnete). Der Ausgangspunkt für diese Konzeption ist ein neu geplantes Synchrotron der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt (GSI). Für solche Anwendungen sind je nach Anforderungen sowohl Kabelpulser als auch Pulsformende Netzwerke (PFNs) geeignet. In dieser Arbeit werden die Grenzen dieser beiden Techniken aufgezeigt, indem neben einer theoretischen Betrachtung durch Rechnung und Simulation auch die Probleme bei der Fertigung einer solchen Ansteuerung durch Modelle in das Konzept mit eingearbeitet werden. Im Bereich der Kabelpulser wird ein Verfahren zur Bestimmung der Pulsqualität anhand gegebener Kabelparameter erarbeitet und eine an die Anforderungen der GSI angepasste Prüfprozedur für ein Pulskabel entwickelt. Diese wird auf ein vorhandenes Kabel der Firma DRAKA angewendet. Neben der Betrachtung vorhandener Kabeltechniken wird die Möglichkeit zur Konstruktion spezieller Pulskabel mit kleinen Impedanzen und niedriger Dämpfung diskutiert. Im Bereich der PFN-Ansteuerung wird eine systematische Vorgehensweise zur Entwicklung eines PFNs mit vorgegebenen Parametern erstellt und detailliert beschrieben. Durch Vergleiche zwischen Simulationen und Messungen an Modellaufbauten wird immer wieder die Zuverlässigkeit der Simulationsergebnisse verifiziert. Speziell im Bereich der bipolaren Ansteuerung wird eine Möglichkeit zur Ansteuerung mit einem PFN trotz hoher Anforderungen an die Anstiegszeit sowie Abfallzeit aufgezeigt und im Modell auch experimentell verifiziert. Für die zum Zeitpunkt der Bearbeitung aktuellen Parameter der geplanten Kickersysteme der GSI wird ein PFN für eine bipolare Ansteuerung ausgelegt. Ein Prototypenaufbau war wegen fehlender finanzieller Mittel leider nicht möglich. Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens von Impulskondensatoren wurde ein Kondensatorprüfstand mit vier Hochspannungskondensatoren entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Dieser beinhaltet eine Ladeeinrichtung unter Verwendung eines kostengünstigen Standard-Prüftransformators. Diese Technik ermöglicht bei einem vorhandenen 50 Hz-Prüftransformator mit einfachen Mitteln eine sehr effiziente Ladung von Energiespeichern. Um die aktuellen Möglichkeiten einer Kickeransteuerung durch Halbleiter zu untersuchen, werden zwei Konzepte für eine halbleiterbasierte Ansteuerung entwickelt. Zum einem wird die theoretische Möglichkeit aufgezeigt, eine Ansteuerung in Form einer Stromquelle aufzubauen und auf diese Weise mit deutlich kleineren Energiespeichern arbeiten zu können. Die zweite Möglichkeit für eine in Einzelfällen realisierbare Halbleiteransteuerung bietet das in dieser Arbeit völlig neu entwickelte Konzept einer Hybridansteuerung aus halbleiterbasiertem Niederspannungsschalter und einem Hochspannungskreis mit Schaltröhre oder Funkenstrecke. Ein solches System wurde für einen Pulsstrom von 1,3 kA bei 55 μs Pulslänge aufgebaut und wird im Hinblick auf Lebensdaueruntersuchungen im Dauerversuch betrieben. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit einem Problem bei der Ansteuerung von supraleitenden Dipolmagneten. Diese Magnete werden im neuen Beschleuniger der GSI eingesetzt und voraussichtlich mit dauerhaften Gleichströmen von bis zu 11 kA betrieben. Im Fehlerfall muss dieser Strom möglichst schnell unterbrochen werden, wobei sich durch die Induktivität der Magnete eine Spannung bis zu 1200 V aufbauen kann. Da es im Falle eines Versagens des Unterbrechungsschalters zu Schäden am Magneten kommen kann und diese zusammen mit den Folgeschäden im siebenstelligen Euro-Bereich liegen können, hat die Zuverlässigkeit des Schaltsystems oberste Priorität. Das bisherige Konzept sah dazu redundante mechanische Gleichstromschalter vor, die jedoch sehr langsam und auch verhältnismäßig teuer sind. Ebenfalls langsam, aber wesentlich kostengünstiger ist ein in dieser Arbeit entwickeltes System unter Verwendung eines AC-Vakuumschalters und eines Parallelzweiges aus IGBT und Schmelzsicherung. Der IGBT soll in diesem Fall eine Stromtrennung bei DC ermöglichen und die Schmelzsicherung das Trennen bei Versagen des IGBTs sicherstellen. Ein solcher Aufbau wurde untersucht und erwies sich als funktionsfähig, jedoch musste aufgrund der zu großen Auslöseverzögerung des mechanischen Schalters ein reines Halbleiterkonzept entwickelt werden. An einem modular aufgebauten IGBT-Schalter mit DC-Schmelzsicherungen konnte in Untersuchungen sowohl die notwendige Stromtragfähigkeit als auch ein sicheres Trennen des Stromes beim Ausfall einzelner IGBTs nachgewiesen werden. Das entwickelte Konzept dient als Vorlage für eine ausgelagerte Serienfertigung solcher Schalter für die GSI.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the field of accelerator technology for the deflection of the beam very efficient systems to control the deflecting magnet are necessary. Not only are the techniques used so far due to risen requirements no longer suitable but also more economic solutions for design and dimensioning of magnet supply systems are searched. This work aimed at developing a concept for designing a supply system for fast pulsed deflecting magnets (kicker magnets). The starting point for this conception is the planning of a new synchrotron of the GSI ("Gesellschaft für Schwerionenforschung" / Society for Heavy Ions Research) in Darmstadt. For such applications depending upon requirements both pulse cables as well as pulse forming networks (PFNs) are suitable. This work points out the limitations of these two techniques, by including not only a theoretical consideration by calculation and simulation but also the problems of manufacturing of such a power supply by hardware models into the concept. In the field of the pulse cables a procedure for the determination of the pulse quality was compiled on the basis of the given cable parameters and a test procedure for a pulse cable adapted to the requirements of the GSI was developed. This is applied to an existing cable of the manufacturer DRAKA. Besides the consideration of existing cable techniques the possibility for the construction of special pulse cables with small impedances and low damping is discussed. In the field of the PFN-supply a systematic proceeding is provided for the development of PFNs with given parameters and it is described in detail. The reliability of the simulation results is verified consistently by comparisons between simulations and measurements on model setups. Particularly within the range of the bipolar supply a possibility for the implementation with a PFN is pointed out despite high requirements on the rise time as well as decay time and verified in the model also experimentally. For the parameters of the planned kicker systems of the GSI, current at the time of processing, a PFN is designed for a bipolar supply. A prototype buildup was unfortunately not possible due to monetary reasons. To investigate the aging characteristics of impulse capacitors a capacitor test stand with four high voltage capacitors was developed, built up and implemented. It contains a charging installation using an economical standard test transformer. This technology using an existing 50 Hz test transformer with simple equipment allows a very efficient charge of capacitive energy storages. In order to investigate the current possibilities of a kicker supply by semiconductors, two concepts for a semiconductor-based solution are developed. Firstly, the theoretical possibility is pointed out to build up a supply system in the form of a current source so as to be able to work with clearly smaller energy storage. The second possibility for a semiconductor supply realizable in individual cases offers a hybrid solution from a semiconductor-based low voltage switch and a high voltage circuit with switching tube or spark gap, developed completely in this work. Such a system was built up for an impulse current of 1,3 kA with 55 μs pulse length and is operated regarding life time in an endurance test. The second part of the work is concerned with the problem of supplying superconducting dipole magnets. These magnets are used in the new accelerator of the GSI and presumably operated with permanent direct currents of up to 11 kA. In case of a fault this current must be interrupted as fast as possible, whereby due to the inductance of the magnets a voltage up to 1200 V can be built up. Since in case of a failure of the interrupter damage of the magnet is possible and this together with the subsequent damages can lead to expenses higher than 1,000,000 Euro, the reliability of the switching system has the highest priority. The previous concept provided redundant mechanical direct current switches which, however, are very slow and also relatively expensive. A slower but more economical system is developed in this work with the help of an AC vacuum circuit breaker and a parallel branch of IGBT and fuse. The IGBT is to make a DC current interruption possible and the fuse guarantees the separation in the case of failure of the IGBTs. Such a structure was investigated and proved as functional; however a pure semiconductor concept had to be developed due to a too large release delay of the mechanical switch. On a developed real modular IGBT-switch with DC fuses both necessary current carrying capacity and safe interruption of the current in case of individual IGBT's failure could be proven experimentally. The developed concept provides a model for a serial production of such switches for the GSI.English
Uncontrolled Keywords: Teilchenbeschleuniger, Kickermagnete, Ablenkmagnete, Kabelpulser, PFN, Halbleiterschalter
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Teilchenbeschleuniger, Kickermagnete, Ablenkmagnete, Kabelpulser, PFN, HalbleiterschalterGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-11335
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hinrichsen, Prof. Volker and Weiland, Prof. Thomas
Refereed: 3 September 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1133
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