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Simulation of Transient Effects in High-Temperature Superconducting Magnets

Bortot, Lorenzo (2022)
Simulation of Transient Effects in High-Temperature Superconducting Magnets.
Technische Universität
doi: 10.26083/tuprints-00020859
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Simulation of Transient Effects in High-Temperature Superconducting Magnets
Language: English
Referees: Schöps, Prof. Dr. Sebastian ; Vanderheyden, Prof. Dr. Benoît
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: vii, IX, 187 Seiten
Date of oral examination: 26 November 2021
DOI: 10.26083/tuprints-00020859
Abstract:

Particle colliders for high-energy physics are important tools for investigating the fundamental structure of matter. In circular accelerators, the collision energy of particles is proportional to the bending magnetic field and the radius of the machine. As a consequence, circular accelerators such as the Large Hadron Collider at CERN have traditionally relied on high-field magnets made of low-temperature superconductors, confining the particle beams within a complex of acceptable dimensions. This class of superconductors shows a practical limit in the achievable magnetic field in the magnet aperture of about 8 T for a Nb-Ti alloy, and 16 T for a Nb3Sn compound. Overcoming these limits requires the use of high-temperature superconductors (HTS) in accelerator magnets, in particular rare-earth barium copper oxide (ReBCO) tapes.

With respect to the low-temperature counterpart, accelerator magnets based on ReBCO tapes are known to behave differently in terms of magnetic field quality and protection from quench events. The tapes are equivalent to wide and anisotropic mono-filaments, resulting in screening currents detrimentally affecting the magnetic field quality, in particular at low currents. At the same time, quenches are less likely to occur due to the enhanced thermal stability of the tapes, but are more difficult to detect and mitigate. Moreover, the dynamic behavior of accelerator magnets is also affected by the surrounding circuitry which must be taken into account, leading to multiphysics, multirate and multiscale problems. Numerical methods play a crucial role for overcoming the challenges related to magnetic field quality and quench protection.

In this work, the magnetothermal dynamics in high-temperature superconducting magnets is modeled by means of an eddy-current problem in the time domain. A mixed field formulation is developed to cope with the nonlinear resistivity law of superconducting materials. The formulation is complemented with distribution functions for the coupling of external voltage and/or current source quantities. Further simplifications are discussed in case of tapes with high aspect ratio, and multifilamentary conductors. Moreover, a field-circuit coupling interface is derived as an optimized Schwarz transmission condition, such that the formulation can be used in field-circuit coupled problems by means of co-simulation methods. The implementation of the formulation in the finite element method is verified against analytical and reference solutions available in literature, and validated against measurements on the HTS-based dipole magnet Feather-M2.

As a case-study, the formulation is applied to proof-of-concept ReBCO screens for the passive field-error cancellation in accelerator magnets. The proposed design is called HALO (harmonics-absorbing layered object) as it is made of stacks of tapes arranged in layers which are fully scalable and expandable. The screens are positioned such that their persistent magnetization shapes the magnetic field in the magnet aperture, canceling the undesired field imperfections. Experimental measurements at 77 K in liquid nitrogen show a significant reduction of the field error, up to a factor of four. Moreover, numerical extrapolation for accelerator-like conditions shows that a careful design of the superconducting screens allows matching the typical field quality requirements for accelerator magnets.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Teilchenbeschleuniger sind wichtige Werkzeuge in der Hochenergiephysik, um die fundamentale Struktur von Materie zu untersuchen. In Ringbeschleunigern ist die Kollisionsenergie proportional zum ablenkenden magnetischen Feld und dem Radius des Rings. Als Folge verwenden Ringbeschleuniger wie der Large Hadron Collider am CERN traditionellerweise Magnete aus Niedrigtemperatur-Supraleitern, die starke Magnetfelder erzeugen, um die Ausmaße der Teilchenstrahlen auf akzeptable Dimensionen zu beschränken. Diese Klasse von Supraleitern weist ein praktisches Limit für die erreichbaren Magnetfelder innerhalb der Magnetöffnung von ungefähr 8 T für eine Nb-Ti Legierung und 16 T für eine Nb3Sn Verbindung. Um diese Limitierungen in Beschleunigermagneten zu überwinden, müssen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) verwendet werden, insbesondere „rare-earth barium copper oxide“ (ReBCO) Bänder.

Im Vergleich zu ihrem niedrigtemperatur-supraleitenden Gegenstück verhalten sich Beschleunigermagnete auf Basis von ReBCO Bändern unterschiedlich im Bezug auf die magnetische Feldqualität sowie die Absicherung gegen Quenches. Die Bänder sind äquivalent zu breiten und anisotropischen Mono-Filamenten, was zu Abschirmströmen führt, welche die Feldqualität insbesondere bei niedrigen Strömen negativ beeinflussen. Gleichzeitig ist das Auftreten von Quenches weniger wahrscheinlich aufgrund der größeren thermischen Stabilität der Bänder, die Detektion derselben und die anschließende Absicherung gegen deren Folgen gestaltet sich jedoch als schwieriger. Zudem wird das dynamische Verhalten von Beschleunigermagneten auch vom umliegenden elektrischen Schaltkreis beeinflusst, weswegen dieser berücksichtigt werden muss. Dies führt zu multiphysikalischen Multiskalen- und Multiratenproblemen. Numerische Methoden spielen eine zentrale Rolle, um die Herausforderungen im Bezug auf magnetische Feldqualität und Absicherung gegen Quenches zu überwinden.

In dieser Arbeit wird die magnetothermische Dynamik von hochtemperatur-supraleitenden Magneten mittels eines Wirbelstromproblems im Zeitbereich modelliert. Eine gemischte Feldformulierung wird entwickelt, um dem nichtlinearen spezifischen Widerstand der supraleitenden Materialien gerecht zu werden. Die Formulierung wird um Distributionsfunktionen erweitert, um externe Quellspannungen und/oder Quellströme ans Feldproblem zu koppeln. Weitere Vereinfachungen werden für den Fall von Bändern mit großen Aspektverhältnissen und multi-filamenten Leitern diskutiert. Weiterhin wird eine Kopplung von Feldproblem und Schaltkreis als optimierte Schwarz-Transmissionsbedingung hergeleitet, sodass die Formulierung zur Lösung solcher gekoppelten Probleme mittels Methoden der Co-Simulation eingesetzt werden kann. Die Implementierung der Formulierung in der Finite-Elemente-Methode wird mittels analytischer und Referenzlösungen aus der Literatur verifiziert und mittels Messungen des auf HTS basierenden Dipolmagnet Feather-M2 validiert.

Als Fallstudie wird die Formulierung auf „proof-of-concept“ ReBCO Abschirmungen für passive Feldfehlerreduzierung in Beschleunigermagneten angewandt. Das vorgeschlagene Design heißt HALO („harmonics-absorbing layered object“), da es aus geschichteten Bändern besteht, welche voll skalier- und erweiterbar sind. Die Abschirmungen werden so positioniert, dass ihre persistente Magnetisierung das Magnetfeld im Inneren der Magnetöffnung formt und dabei ungewünschte Feldfehler ausgleicht. Experimentelle Messungen bei 77 K in flüssigem Stickstoff zeigen eine signifikante Reduktion des Feldfehlers, bis zu einem Faktor von vier. Außerdem verdeutlicht numerische Extrapolation für beschleunigerähnliche Bedingungen, dass ein sorgfältiges Design der supraleitenden Abschirmungen die typischen Anforderungen an die Feldqualität in Beschleunigermagneten erfüllt.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-208591
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Computational Electromagnetics
Date Deposited: 18 Mar 2022 11:04
Last Modified: 02 Aug 2022 13:38
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20859
PPN: 492817634
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