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Quench Study for FAIR Magnets

Szwangruber, Piotr :
Quench Study for FAIR Magnets.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Ph.D. Thesis: Quench Study for FAIR Magnets - Text (Thesis on superconducting magnets. Main topic - quench calculations.)
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Quench Study for FAIR Magnets
Language: English
Abstract:

FAIR – the Facility for Antiproton and Ion Research is a new international accelerator facility which is built in Darmstadt, Germany. The core machines of the project are the superconducting synchrotron SIS100 and the superconducting fragment separator Super–FRS. Design and construction of superconducting machines require a comprehensive study of cases when the superconducting state is lost (quench). This dissertation covers two subjects. The first subject aims the development of a novel calculation tool (called GSI quench software) dedicated to the quench study of the FAIR magnets. Quench calculations done with the GSI software serve as an input for the proper design of SIS100 and Super–FRS quench detection and energy extraction systems. The software uses the unconditionally stable implicit scheme for the solution of the partial–differential equations that describe the thermal model of the coil. An innovative adaptive time stepping algorithm is used in order to limit the maximum temperature increase of the individual mesh elements to a predefined level. The thermal model of the coil gives the possibility to include the cooling by a liquid helium bath. The electrical circuit topology including the magnet protection system (energy extraction resistors and/or by–pass diodes) is implemented. The properties of the magnet’s yoke are taken into account in the inductance function Ld(I). The implemented electro–thermal model was verified and validated by comparison to quench measurements conducted on SIS100 dipole and Super–FRS dipole prototypes. The testing campaign on the SIS100 dipole prototype (magnet training, quench propagation velocity, hot–spot temperature, MIITs, RRRCu, inductance, splice resistance, current leads) was performed in the scope of this work. The quench measurements on the Super–FRS dipole prototype were received from the FAIR China Group. The results of calculations performed with the GSI software are either in good agreement with the measurement data or they represent the worst case scenario, e.g. the calculated hot–spot temperature or quench voltage is higher than measured. The second subject concerns the design challenges of the SIS100 quench detection system. An outstanding cycling rate of the dipole circuit (4 T/s), high voltage (U0/U = 1 kV/2 kV), radiation hardness required for the equipment to be installed in the accelerator tunnel (>= 1 MGy) and long signal lines between the magnets and quench detection racks (up to 200 m) implies a customised design of the key components of the system. Selected contributions to the SIS100 quench detection system, concerning the reduction of the parasitic capacitance in the main magnet circuits (by utilising magnetic amplifiers and a new overlapping structure of balance bridges) and the development of a quench detector dedicated to corrector magnets (mutual inductance detector) are presented.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) ist eine neue Teilchenbeschleunigeranlage, geplant am Standort Darmstadt in Deutschland. Die Kernkomponenten sind der Ringbeschleuniger SIS100 und ein Fragmentseparator Super–FRS, jeweils unter Verwendung von supraleitenden Magneten. Die Planung und Entwicklung solcher Anlagen erfordert die umfassende Betrachtung der Fälle, in denen Komponenten plötzlich vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergehen (Quench). Diese Dissertation behandelt zwei Themenbereiche dazu. Erstes Thema ist die Entwicklung einer neuartigen Berechnungssoftware (GSI Quench Software) zur Untersuchung von Quenchen bei FAIR–Magneten. Diese Berechnungen dienen als ein Parameter für die korrekte Auslegung der SIS100 bzw. Super–FRS Quench–Erkennungs– und Energieausleitungssysteme. Die Software nutzt dabei den Ansatz des bedingungslos stabilen, geschlossenen Systems zur Lösung der partiellen Differentialgleichungen, die das thermische Verhalten der Magnetspule beschreiben. Ein innovativer, adaptiver Zeitstufenalgorithmus wird dabei zur Begrenzung des Temperaturanstiegs der einzelnen Gitterzellen auf einen vordefinierten Wert eingesetzt. Das Thermomodell der Spule erlaubt auch den Einsatz einer Kühlung in einem Bad mit flüssigem Helium. Die Struktur der elektrischen Stromkreise einschließlich des Magnetschutz–Systems (Ausleitungswiderstände und/oder Bypass–Dioden) sind ebenfalls implementiert. Die Eigenschaften des Magnetjochs sind mit der Induktivitätsfunktion Ld(I) berücksichtigt. Das eingesetzte elektrothermische Modell wurde im Vergleich mit realen Quench–Messungen an einem SIS100 Dipol Prototyp bzw. Super–FRS Dipol Prototyp überprüft und bestätigt. Die Testreihe am SIS100 Dipol (Magnettraining, Quench–Ausbreitungsgeschwindigkeit, Hot–Spot Temperatur, MIITs, RRRCu, Induktivität, Widerstand elektrischer Verbindungen, Stromzuführungen) wurde im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Messergebnisse zum Super–FRS Dipol wurden von einer FAIR Gruppe in Lanzhou, China, zur Verfügung gestellt. Die Berechnungen zeigen entweder eine gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen oder sie stellen den ungünstigsten Fall dar, z.B. die Hot–Spot Temperatur oder die elektrische Quench–Spannung ist höher als der Messwert. Der zweite Themenbereich befasst sich mit den Herausforderungen beim Entwurf des SIS100 Quench–Erkennungssystems. Eine außergewöhnliche Arbeitsgeschwindigkeit des Dipol–Magnetkreises (4 T/s), hohe elektrische Spannungswerte (U0/U = 1 kV/2 kV), Strahlenfestigkeit der im Beschleunigertunnel eingesetzten Komponenten (>= 1 MGy) und lange Signalwege zwischen den Magneten und der Quench–Erkennungselektronik (bis zu 200 m) deuten auf einen maßgeschneiderten Entwurf der Schlüsselbauteile des Systems hin. Ausgewählte Beiträge zum SIS100 Quench–Erkennungssystem bezüglich der Reduzierung parasitärer Kapazitäten in den Haupt–Magnetkreisen (unter Nutzung von magnetischen Verstärkern sowie einer neuen Anschlussstruktur der Quench–Brückenschaltungen) und der Entwicklung eines speziellen Quench–Detektors für Korrekturmagnete (Mutual Inductance Detector) werden vorgestellt.German
Place of Publication: Darmstadt
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: 01 Feb 2018 14:47
Last Modified: 01 Feb 2018 14:47
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-72079
Referees: Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver and Schmidt, Prof. Dr. Rüdiger
Refereed: 27 November 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7207
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