Wietoska, Thomas (2008)
Optimierung der Ansteuerung von Ablenkmagneten in Teilchenbeschleunigern unter besonderer Berücksichtigung halbleiterbasierter Lösungen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Bereich der Beschleunigertechnik werden zur Ablenkung des Strahles sehr leistungsfähige Systeme zur Ansteuerung der Ablenkmagnete benötigt. Einerseits sind durch gestiegene Anforderungen die bisher verwendeten Techniken nicht mehr geeignet, und andererseits wird zur Kostenersparnis nach ökonomischeren Lösungen bei der Auslegung von Magnetansteuerungen gesucht. Der Hauptaspekt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung eines Konzeptes zur Auslegung einer Ansteuerung für schnell gepulste Ablenkmagnete (Kickermagnete). Der Ausgangspunkt für diese Konzeption ist ein neu geplantes Synchrotron der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt (GSI). Für solche Anwendungen sind je nach Anforderungen sowohl Kabelpulser als auch Pulsformende Netzwerke (PFNs) geeignet. In dieser Arbeit werden die Grenzen dieser beiden Techniken aufgezeigt, indem neben einer theoretischen Betrachtung durch Rechnung und Simulation auch die Probleme bei der Fertigung einer solchen Ansteuerung durch Modelle in das Konzept mit eingearbeitet werden. Im Bereich der Kabelpulser wird ein Verfahren zur Bestimmung der Pulsqualität anhand gegebener Kabelparameter erarbeitet und eine an die Anforderungen der GSI angepasste Prüfprozedur für ein Pulskabel entwickelt. Diese wird auf ein vorhandenes Kabel der Firma DRAKA angewendet. Neben der Betrachtung vorhandener Kabeltechniken wird die Möglichkeit zur Konstruktion spezieller Pulskabel mit kleinen Impedanzen und niedriger Dämpfung diskutiert. Im Bereich der PFN-Ansteuerung wird eine systematische Vorgehensweise zur Entwicklung eines PFNs mit vorgegebenen Parametern erstellt und detailliert beschrieben. Durch Vergleiche zwischen Simulationen und Messungen an Modellaufbauten wird immer wieder die Zuverlässigkeit der Simulationsergebnisse verifiziert. Speziell im Bereich der bipolaren Ansteuerung wird eine Möglichkeit zur Ansteuerung mit einem PFN trotz hoher Anforderungen an die Anstiegszeit sowie Abfallzeit aufgezeigt und im Modell auch experimentell verifiziert. Für die zum Zeitpunkt der Bearbeitung aktuellen Parameter der geplanten Kickersysteme der GSI wird ein PFN für eine bipolare Ansteuerung ausgelegt. Ein Prototypenaufbau war wegen fehlender finanzieller Mittel leider nicht möglich. Zur Untersuchung des Alterungsverhaltens von Impulskondensatoren wurde ein Kondensatorprüfstand mit vier Hochspannungskondensatoren entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Dieser beinhaltet eine Ladeeinrichtung unter Verwendung eines kostengünstigen Standard-Prüftransformators. Diese Technik ermöglicht bei einem vorhandenen 50 Hz-Prüftransformator mit einfachen Mitteln eine sehr effiziente Ladung von Energiespeichern. Um die aktuellen Möglichkeiten einer Kickeransteuerung durch Halbleiter zu untersuchen, werden zwei Konzepte für eine halbleiterbasierte Ansteuerung entwickelt. Zum einem wird die theoretische Möglichkeit aufgezeigt, eine Ansteuerung in Form einer Stromquelle aufzubauen und auf diese Weise mit deutlich kleineren Energiespeichern arbeiten zu können. Die zweite Möglichkeit für eine in Einzelfällen realisierbare Halbleiteransteuerung bietet das in dieser Arbeit völlig neu entwickelte Konzept einer Hybridansteuerung aus halbleiterbasiertem Niederspannungsschalter und einem Hochspannungskreis mit Schaltröhre oder Funkenstrecke. Ein solches System wurde für einen Pulsstrom von 1,3 kA bei 55 μs Pulslänge aufgebaut und wird im Hinblick auf Lebensdaueruntersuchungen im Dauerversuch betrieben. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit einem Problem bei der Ansteuerung von supraleitenden Dipolmagneten. Diese Magnete werden im neuen Beschleuniger der GSI eingesetzt und voraussichtlich mit dauerhaften Gleichströmen von bis zu 11 kA betrieben. Im Fehlerfall muss dieser Strom möglichst schnell unterbrochen werden, wobei sich durch die Induktivität der Magnete eine Spannung bis zu 1200 V aufbauen kann. Da es im Falle eines Versagens des Unterbrechungsschalters zu Schäden am Magneten kommen kann und diese zusammen mit den Folgeschäden im siebenstelligen Euro-Bereich liegen können, hat die Zuverlässigkeit des Schaltsystems oberste Priorität. Das bisherige Konzept sah dazu redundante mechanische Gleichstromschalter vor, die jedoch sehr langsam und auch verhältnismäßig teuer sind. Ebenfalls langsam, aber wesentlich kostengünstiger ist ein in dieser Arbeit entwickeltes System unter Verwendung eines AC-Vakuumschalters und eines Parallelzweiges aus IGBT und Schmelzsicherung. Der IGBT soll in diesem Fall eine Stromtrennung bei DC ermöglichen und die Schmelzsicherung das Trennen bei Versagen des IGBTs sicherstellen. Ein solcher Aufbau wurde untersucht und erwies sich als funktionsfähig, jedoch musste aufgrund der zu großen Auslöseverzögerung des mechanischen Schalters ein reines Halbleiterkonzept entwickelt werden. An einem modular aufgebauten IGBT-Schalter mit DC-Schmelzsicherungen konnte in Untersuchungen sowohl die notwendige Stromtragfähigkeit als auch ein sicheres Trennen des Stromes beim Ausfall einzelner IGBTs nachgewiesen werden. Das entwickelte Konzept dient als Vorlage für eine ausgelagerte Serienfertigung solcher Schalter für die GSI.

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