Experimentelle Untersuchungen thermischer Eigenschaften schnell gepulster supraleitender Beschleunigermagnete
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An der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt wird derzeit ein neuer Beschleunigerkomplex FAIR (Facility for Anitproton and Ion Research) errichtet. Die entstehende weltweit einzigartige Anlage wird hochintensive Ionen- und Antiprotonenstrahlen mit hohen Energien für die Grundlagenforschung in zahlreichen Gebieten der Kern- Atom- und Plasmaphysik sowie für die angewandte Forschung bereitstellen.
Die zentrale Komponente der neuen Anlage ist ein supraleitender Schwerionensynchrotron SIS100 mit einer magnetischen Steifigkeit von 100 Tm, der primäre Strahlen aller Ionensorten von Wasserstoff bis Uran erzeugen wird.
Eines der zentralen technischen Systeme eines Synchrotrons sind spezielle Elektromagnete, die gepulste magnetischen Felder zum Ablenken und Fokussieren von Ionenstrahlen erzeugen. Um den Energieverbrauch der Anlage zu senken und die Betriebskosten möglichst gering zu halten werden im SIS100-Synchrotron supraleitende Magnete eingesetzt. Solche Magnete wurden an der GSI im Rahmen des FAIR-Projektes entwickelt. Obwohl die supraleitende Magnettechnologie eine hohe Kostenersparnis verspricht, fließt der elektrische Strom in schnell gerampten Magneten nicht völlig verlustfrei. Der gepulste Betrieb erzeugt dynamische Verluste sowohl in magnetischen Kreisen als auch in supraleitenden Erregungsspulen der Magnete. Wegen der vergleichsweise hohen Wärmelasten im gepulsten Betrieb bietet sich eine Kühlung mit erzwungener zweiphasigen Heliumströmung als effektivste Kühlmethode an.
Die Untersuchung und Analyse der dynamischen Verluste in schnell gerampten supraleitenden Magneten und deren Abhängigkeiten von den Bertriebsmodi des Synchrotrons bilden den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Im Vordergrund der Untersuchungen steht der erste Vorserien-Dipolmagnet für SIS100. Basierend auf Kenntnissen der dynamischen Verluste und Massenflüsse von Helium in Dipolmodulen werden die Wärmelasten in allen anderen supraleitenden Magnetmodulen von SIS100 und deren Bedarf an flüssigem Helium für unterschiedliche Betriebszustände des Synchrotrons abgeschätzt. Diese Erkenntnisse sind für die Ausarbeitung eines Systems der kryogenen Versorgung der supraleitenden Magnete im SIS100-Ring und für stabilen Betrieb des Synchrotrons entscheidend.