Authors:	Bleile, Alexander
Title:	Experimentelle Untersuchungen thermischer Eigenschaften schnell gepulster supraleitender Beschleunigermagnete
Online publication date:	14-Jun-2016
Year of first publication:	2016
Language:	german
Abstract:	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. The new Facitity for Antiproton and Ion Research FAIR is being constructed at the GSI research center in Darmstadt (Germany). This wordwide unique accelerator facility will provide beams of ions and antiprotons at high intensities and high energies for the fundamental research in nuclear, atomic and plasma physics as well as for applied science. The superconducting synchrotron SIS100 with a magnetic gigidity of 100 Tm, the core component of the FAIR facility will provide primary ion beams of all types from hydrogen up to uranium. One of the key technical systems of a new synchrotron are fast ramped electromagnets for the generation of fast ramped magnetic fields for deflecting and focusing of the ion beams. To reduce the energy consumption and to keep the operating costs of the synchrotron as low as possible superconducting magnet technology is applied in the SIS100. Superconducting magnets have been developed at GSI within the scope of the FAIR project. Although the superconducting magnet technology promises high cost saving, the power consumption of the fast ramped superconducting magnets can't be completely neglected. The pulsed operation generates dynamic losses in the iron yokes as well as in the superconducting coils of the magnets. A forced two-phase helium flow provides effective cooling for supercounducting magnets exposed to a continous relative high heat flow. The subject of this PhD thesis is experimental investigations and analysis of the dynamic power losses in fast ramped superconducting magnets and their dependencies on the operation cycles of the synchrotron. This research was conducted on the the first series SIS100 dipole magnet. Based on the experimentally defined dynamic heat loads and helium mass flow rates in the dipole magnet the heat loads and helium consumption for all other types of superconducting magnet modules of the SIS100 have been estimated. These results are essential for the development of the cooling system for the the superconducting magnets in the SIS100 accelerator ring and for the stable operation of the synchrotron.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4052
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000005211
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	127 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen