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Numerische und experimentelle Untersuchungen gekoppelter elektromagnetischer und thermischer Felder in supraleitenden Beschleunigermagneten

Mierau, Anna :
Numerische und experimentelle Untersuchungen gekoppelter elektromagnetischer und thermischer Felder in supraleitenden Beschleunigermagneten.
[Online-Edition]
E-Publishing-Service der TU Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerische und experimentelle Untersuchungen gekoppelter elektromagnetischer und thermischer Felder in supraleitenden Beschleunigermagneten
Language: German
Abstract:

Aufbauend auf der Beschleunigeranlage des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung wird in Darmstadt die neue internationale Foschungseinrichtung FAIR errichtet. Der entstehende Komplex aus Beschleuniger- und Speicherringen wird Ionen- und Protonenstrahlen hoher Energien mit bisher unerreicht hohen Intensitäten für die Grundlagenforschung in zahlreichen Gebieten der Kern-, Atom- und Antiprotonphysik zur Verfügung stellen und somit zu einem besseren Verständnis des Aufbaus der Materie und der Entwicklung des Universums beitragen. Die zentrale Komponente der neuen Anlage ist ein Doppelring-Beschleuniger, der aus zwei Schwerionensynchrotronen SIS100 und SIS300 besteht. Das Synchrotron SIS100 wird dabei als Hauptbeschleuniger der Anlage dienen. Die angestrebten Strahleigenschaften für den Betrieb des SIS100 erfordern ein Design der Maschine, das wesentlich anspruchsvoller als das konventionelle Design der existierenden Proton- und Ionensynchrotrone ist.

Die entscheidenden technischen Baugruppen eines Synchrotrons sind spezielle Elektromagnete mit deren Hilfe die geladenen Teilchen im Verlauf der Beschleunigungsvorgänge während ihrer zahlreichen Umläufe im Synchrotronring auf ihren Bahnen gehalten werden. Für den stabilen Betrieb des SIS100 müssen die Beschleunigermagnete höchst homogene Magnetfelder erzeugen. Weiterhin fordern die geplanten Betriebsmodi des SIS100 mit hoch intensiven Strahlen zum Beispiel von U28+ Ionen, aufgrund der Umladungseigenschaften dieser Ionen, ultrahohes Vakuum im Strahlrohr des Synchrotrons, das erst bei tiefen Temperaturen von unter 15 K effektiv erzeugt werden kann. Basierend auf den Anforderungen an die Feldeigenschaften der Magnete, den geforderten Eigenschaften des dynamischen Vakuums sowie im Hinblick auf die Minimierung zukünftiger Betriebskosten werden zur Strahlführung im SIS100 schnellgerampte supraleitende Magnete eingesetzt. Derartige Magnete werden im Rahmen des FAIR-Projekts an der GSI entwickelt. Die Ausarbeitung eines ausbalancierten Designs supraleitender Beschleunigermagnete fordert ein gutes Verständnis der Zusammenhänge zwischen den thermischen und elektromagnetischen Feldern in Magneten. Von grundlegender Bedeutung sind dabei die Kenntnisse der Homogenität des erzeugten statischen Magnetfeldes in der Magnetapertur sowie der dynamischen Wärmelasten des Magneten und seiner Komponenten, die während der Beschleunigungszyklen auftreten.

Die Untersuchung und Analyse der genannten physikalischen Charakteristika der supraleitenden Magnete und der Zusammenhänge zwischen den Feldern bilden den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Im Vordergrund der Untersuchungen steht dabei ein Prototyp des schnellgerampten supraleitenden Dipolmagneten für SIS100. Aufgrund des komplexen Designs lassen sich die Charakteristika elektromagnetischer und thermischer Felder eines Beschleunigermagneten meist nur mit numerischen Simulationen oder Messungen an Testmodellen bestimmen. Die in dieser Arbeit mit beiden Methoden gewonnenen Erkenntnisse über die Eigenschaften des statischen Magnetfeldes in der zur Strahlführung vorgesehenen Region sowie über die dynamischen Wärmelasten des Magneten sollen der Entwicklung eines den Betriebsanforderungen des SIS100 entsprechenden Dipolmagneten dienen. Weiterhin sind die Kenntnisse der dynamischen Wärmelasten in einzelnen Dipolmodulen für die Ausarbeitung eines zuverlässigen Kühlsystems der supraleitenden Magnete im Ring und somit für den stabilen Betrieb des SIS100 entscheidend.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The new international facility for antiproton and ion research FAIR will be built in Darmstadt (Germany). The existing accelerator facility of GSI Helmholtzzentrum for Heavy Ion Research will serve as a pre-accelerator for the new facility. FAIR will provide high-energy antiproton and ion beams with unprecedented intensity and quality for fundamental research of states of matter and the evolution of the universe. The central component of FAIR’s accelerator and storage rings complex is a double-ring accelerator consisting of two heavy ion synchrotrons SIS100 and SIS300. The SIS100 is the primary accelerator of FAIR. The desired beam properties of SIS100 require a design of the machine much more challenging than the conventional design of existing proton and ion synchrotrons. The key technical components of each synchrotron are the special electromagnets, which allow guiding the charged particles on their orbits in the synchrotron during the acceleration processes. For a stable operation of the SIS100’s the magnets have to produce extremely homogeneous magnetic fields. Furthermore, the SIS100 high-intensity ion beam modes, for example with U28+ ions, require an ultra-high vacuum in the beam pipe of the synchrotron, which can be generated effectively only at low temperatures below 15K. Due to the field quality requirements for the magnets, the properties of the dynamic vacuum in the beam pipe but also in order to minimise future operating costs, fast ramped superconducting magnets will be used to guide the beam in SIS100. These magnets have been developed at GSI within the framework of the FAIR project. Developing a balanced design of a superconducting accelerator magnet requires a sound understanding of the interaction between its thermal and electromagnetic fields. Of special importance in this case are the magnetic field properties such as the homogeneity of the static magnetic field in the aperture of the magnet, and the dynamic heat losses of the whole magnet and its individual components, which occur during acceleration cycles. The study and analysis of these physical characteristics of the superconducting magnets and the relation between thermal und magnetic fields are subject of this PhD thesis. The object of investigation was the first SIS100 full size fast ramped superconducting dipole magnet prototype. Due to the complex design of accelerator magnets numerical simulations as well as measurements on test models are commonly used methods to determine the characteristics of the electromagnetic and thermal fields of such magnets. In the frame of this work both methods have been used to study the properties of the static magnetic field in the aperture of the dipole magnet. The dynamic heat losses in the magnet and its vacuum chamber were measured using the calorimetrical method. The knowledge gained in this work has contributed to the development of superconducting dipole magnets which will satisfy the operational conditions of the SIS100 beam guiding magnets. Furthermore, the knowledge of the dynamic heat loads in individual dipole units is important for developing a reliable cooling system for the superconducting magnets in the accelerator ring and thus for the stable operation of the SIS100 heavy ion synchrotron.English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: E-Publishing-Service der TU Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Supraleitende Elektromagnete für Teilchenbeschleuniger, Beschleunigermagnete, Strahlführungsmagnete, Teilchenbeschleuniger, Schwerionensynchrotron SIS100, Magnetfeldeigenschaften von Beschleunigermagneten, Feldsimulationen für quasistatische Magnetfelder, Messmethoden zur Bestimmung der Feldeigenschaften von Beschleunigermagneten, Feldmessung mit rotierenden Spulen, Strahlrohre supraleitender Strahlführungsmagnete für Teilchenbeschleuniger, Wirbelströme in dünnen Schichten, Kühlung der Strahlrohre Beschleunigermagnete, Wärmelasten an Beschleunigermagneten, Kalorimetrische Methode zur Messung Wärmelasten
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Superconducting electromagnets for particle accelerators, accelerator magnets, beam guiding magnets, particle accelerators, heavy ion synchrotron SIS100, magnetic properties of accelerator magnets, field simulations for quasi-static magnetic fields, measurement methods to determine the field properties of accelerator magnets, field measurement with rotating coils, beam pipes of superconducting magnets for particle accelerators, eddy currents in thin layers, cooling of the beam pipes of accelerator magnets, heat loads in accelerator magnets, calorimetric method to measure the heat loadsEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics
Date Deposited: 15 Mar 2013 14:04
Last Modified: 15 Mar 2013 14:04
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3311
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33117
Identification Number: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33117
Referees: Weiland, Prof. Dr. Thomas and Kester, Prof. Dr. Oliver and Sharkov, Prof. Dr. Boris
Refereed: 20 December 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3311
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