Mierau, Anna (2013)
Numerische und experimentelle Untersuchungen gekoppelter elektromagnetischer und thermischer Felder in supraleitenden Beschleunigermagneten.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Aufbauend auf der Beschleunigeranlage des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung wird in Darmstadt die neue internationale Foschungseinrichtung FAIR errichtet. Der entstehende Komplex aus Beschleuniger- und Speicherringen wird Ionen- und Protonenstrahlen hoher Energien mit bisher unerreicht hohen Intensitäten für die Grundlagenforschung in zahlreichen Gebieten der Kern-, Atom- und Antiprotonphysik zur Verfügung stellen und somit zu einem besseren Verständnis des Aufbaus der Materie und der Entwicklung des Universums beitragen. Die zentrale Komponente der neuen Anlage ist ein Doppelring-Beschleuniger, der aus zwei Schwerionensynchrotronen SIS100 und SIS300 besteht. Das Synchrotron SIS100 wird dabei als Hauptbeschleuniger der Anlage dienen. Die angestrebten Strahleigenschaften für den Betrieb des SIS100 erfordern ein Design der Maschine, das wesentlich anspruchsvoller als das konventionelle Design der existierenden Proton- und Ionensynchrotrone ist.

Die entscheidenden technischen Baugruppen eines Synchrotrons sind spezielle Elektromagnete mit deren Hilfe die geladenen Teilchen im Verlauf der Beschleunigungsvorgänge während ihrer zahlreichen Umläufe im Synchrotronring auf ihren Bahnen gehalten werden. Für den stabilen Betrieb des SIS100 müssen die Beschleunigermagnete höchst homogene Magnetfelder erzeugen. Weiterhin fordern die geplanten Betriebsmodi des SIS100 mit hoch intensiven Strahlen zum Beispiel von U28+ Ionen, aufgrund der Umladungseigenschaften dieser Ionen, ultrahohes Vakuum im Strahlrohr des Synchrotrons, das erst bei tiefen Temperaturen von unter 15 K effektiv erzeugt werden kann. Basierend auf den Anforderungen an die Feldeigenschaften der Magnete, den geforderten Eigenschaften des dynamischen Vakuums sowie im Hinblick auf die Minimierung zukünftiger Betriebskosten werden zur Strahlführung im SIS100 schnellgerampte supraleitende Magnete eingesetzt. Derartige Magnete werden im Rahmen des FAIR-Projekts an der GSI entwickelt. Die Ausarbeitung eines ausbalancierten Designs supraleitender Beschleunigermagnete fordert ein gutes Verständnis der Zusammenhänge zwischen den thermischen und elektromagnetischen Feldern in Magneten. Von grundlegender Bedeutung sind dabei die Kenntnisse der Homogenität des erzeugten statischen Magnetfeldes in der Magnetapertur sowie der dynamischen Wärmelasten des Magneten und seiner Komponenten, die während der Beschleunigungszyklen auftreten.

Die Untersuchung und Analyse der genannten physikalischen Charakteristika der supraleitenden Magnete und der Zusammenhänge zwischen den Feldern bilden den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Im Vordergrund der Untersuchungen steht dabei ein Prototyp des schnellgerampten supraleitenden Dipolmagneten für SIS100. Aufgrund des komplexen Designs lassen sich die Charakteristika elektromagnetischer und thermischer Felder eines Beschleunigermagneten meist nur mit numerischen Simulationen oder Messungen an Testmodellen bestimmen. Die in dieser Arbeit mit beiden Methoden gewonnenen Erkenntnisse über die Eigenschaften des statischen Magnetfeldes in der zur Strahlführung vorgesehenen Region sowie über die dynamischen Wärmelasten des Magneten sollen der Entwicklung eines den Betriebsanforderungen des SIS100 entsprechenden Dipolmagneten dienen. Weiterhin sind die Kenntnisse der dynamischen Wärmelasten in einzelnen Dipolmodulen für die Ausarbeitung eines zuverlässigen Kühlsystems der supraleitenden Magnete im Ring und somit für den stabilen Betrieb des SIS100 entscheidend.

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