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Combining rotating-coil measurements of large-aperture accelerator magnets

Köster, Oliver :
Combining rotating-coil measurements of large-aperture accelerator magnets.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Combining rotating-coil measurements of large-aperture accelerator magnets
Language: English
Abstract:

The rotating coil is a widely used tool to measure the magnetic field and the field errors in accelerator magnets. The coil has a length that exceeds the entire magnetic field along the longitudinal dimension of the magnet and gives therefore a two-dimensional representation of the integrated field. Having a very good precision, the rotating coil lacks in versatility. The fixed dimensions make it impractical and inapplicable in situations, when the radial coil dimension is much smaller than the aperture or when the aperture is only little covered by the coil. That being the case for rectangular apertures with large aspect ratio, where a basic measurement by the rotating coil describes the field only in a small area of the magnet. A combination of several measurements at different positions is the topic of this work. Very important for a combination is the error distribution on the measured field harmonics. To preserve the good precision of the higher-order harmonics, the combination must not rely on the main field component that is measured with less precision. Considering that, a method is derived that computes the field harmonics at the central position by measurement data at displaced positions. The error propagation of the measurement error and the uncertainty of the position is studied for different cases. This is done for simulated fields but also for an actual measurement in the laboratory. It is shown that the precision of the computed field harmonics, in particular the higher-order ones, is improved with respect to a single measurement at one position. Finally, a coil design is presented that is adapted to the method and the measurement errors. Acquiring the used field harmonics with the highest sensitivity, improves the results of the computations. This work presents a method that improves the versatility of the rotating coil by combining measurements at several positions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Rotierende Spule ist ein Werkzeug zum Messen von magnetischen Feldern von Beschleunigermagneten. Durch die Länge der Spule, die das gesamte longitudinale Feld erfasst, geben die Messdaten zweidimensionale, integrierte Größen an. Dies führt zu einer Darstellung des Feldes durch harmonische Funktionen in Zylinderkoordinaten oder einer analytischen Funktion in komplexen, kartesischen Koordinaten. Die Koeffizienten dieser Fourierreihe werden Multipole genannt und ergeben sich direkt aus der Messung mit der Rotierenden Spule. Mechanische Ungenauigkeiten und Messfehler führen zu unterschiedlichen Störungen auf den Multipolen: Während das Hauptfeld den kompletten Abweichungen unterliegt, werden die höheren Multipole durch ein Differenzsignal berechnet und sind damit um ca. zwei Größenordnungen genauer bestimmbar. Diese Präzision bei der Bestimmung der Feldfehler macht die Rotierende Spule anderen Messmethoden überlegen und ein sehr weit verbreitetes Messwerkzeug für Beschleunigermagnete. Durch die unveränderlichen Abmessungen ist eine Spule ausschließlich für Magnete mit passender Apertur einsetzbar, da die präzise Felddarstellung auf die radiale Abmessung der Spule begrenzt ist. Dies verhindert die sinnvolle Anwendung des Werkzeugs in Magneten mit Aperturen, die entweder deutlich größer sind als die Spulenabmessungen oder rechteckig mit stark unterschiedlichem Länge-Breite-Verhältnis. Eine Kombination von mehreren Spulenmessungen ist Grundlage dieser Arbeit. Die Fehlerverteilung auf den Multipolen und deren Fortpflanzung ist dabei von besonderer Bedeutung. Insbesondere ist eine Kombination mittels des magnetischen Feldes naheliegend, aber von geringer Genauigkeit, da die Fehler des Hauptfeldes dominieren. Deswegen muss eine Kombination, die die hohe Präzision der Multipole erhalten soll, über die Verbindung dieser Multipole funktionieren. Eine solche Methode wird in dieser Arbeit vorgestellt und an verschiedenen Beispielen veranschaulicht. Dabei wird stark auf die Fehlerfortpflanzung eingegangen, die Messfehler, aber auch Positionierungsfehler beinhaltet. Neben Simulationen werden die Ergebnisse einer Feldmessung im Labor gezeigt. Die dabei aufkommenden Schwierigkeiten werden beschrieben und Problemlösungen werden aufgezeigt. Die vorgestellte Kombination hat die Möglichkeit, unpräzise gemessene Multipole auszuschließen. Damit werden Messfehler gefiltert und die höchste Genauigkeit der Einzelmessung übernommen. Zwingerdermaßen unterliegt die Messmethode der Qualität der Einzelmessung. Das wird offensichtlich bei systematischen Fehlern, die bei der Spulenkalibration aufkommen können. Abschließend wird ein Spulendesign präsentiert, das auf die Eigenschaften der Methode, aber auch auf die Sensitivität des Spulentyps angepasst ist. Simulationen und eine Fehleranalyse werden dargestellt mit anschließendem Ausblick auf die zu entwickelnde Messbank.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Matgnetic Measurements, Rotating Coil, Multipoles
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Computational Electromagnetics > Computational Electromagnetics Laboratory
Date Deposited: 10 Oct 2016 13:46
Last Modified: 10 Oct 2016 13:46
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56970
Referees: Boine-Frankenheim, Prof. Oliver and Russenschuck, Dr.-Ing. Stephan
Refereed: 23 September 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5697
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