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 |