Simulation von Beschleunigermagneten

Schaltungen, Supraleiter, Quench und Regelung

Multiphysikalische Simulation and Validierung durch Messung

Zukünftige Teilchenbeschleuniger, die Grundlagenforschung an Teilchenkollisionen bei Energien jenseits der Grenzen des Large Hadron Colliders ermöglichen, erfordern sehr leistungsfähige Beschleunigermagnete, die den Teilchenstrahl innerhalb von akzeptablen Dimensionen halten. Traditionell wurden für Teilchenbeschleuniger wie demn Large Hadron Collider normale und supraleitende Magnete verwendet, die Niedrigtemperatur-Supraleiter (LTS) wie Nb-Ti verwenden. Um die von den supraleitenden Dipolmagneten bereitgestellte Biegeleistung zu erhöhen, ist ein Technologiewechsel zu Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) erforderlich, die Magnetfelder von 20 Tesla und darüber hinaus ermöglichen.

Es wird erwartet, dass sich HTS-basierte Beschleunigermagnete in Bezug auf den Quenchschutz anders verhalten als LTS-basierte Beschleunigermagnete. Aufgrund ihrer erhöhten Stabilität haben sie eine wesentlich geringere Quench-Wahrscheinlichkeit. Gleichzeitig ist ein Quench schwieriger zu erkennen, und der traditionelle Ansatz zum Schutz von LTS-basierten Magneten, d.h. die schnelle Induktion einer Normalzone im gesamten Magneten, ist bei HTS-basierten Magneten viel schwieriger zu realisieren. Aus diesem Grund ist ein neuer Ansatz erforderlich, um den sicheren und zuverlässigen Betrieb dieses Magnettyps zu gewährleisten, sowohl in Bezug auf die Quencherfassung als auch auf die anschließenden Quenchschutzmaßnahmen.

Unsere Forschung konzentriert sich auf den Schutz von zukünftigen HTS-basierten Beschleunigermagneten. Dies betrifft zunächst die Möglichkeiten zur Früherkennung von Quenches. Anstatt sich auf Spannungsabnahmen zu verlassen, können verschiedene Ansätze wie Sekundärspulen, akustische Detektoren, Pickup-Antennen oder optische Fasern verwendet werden, um die mit dem Einsetzen eines Quenches verbundene Stromumverteilung innerhalb des Leiters zu erkennen. Zweitens befasst sich die Arbeit mit den Maßnahmen, mit denen ein Magnet sicher und rechtzeitig entladen werden kann, z.B. unter Verwendung von Konzepten wie E3presso, induktiv gekoppelten Energieverbrauchern, Quench-Absorptionsspulen und dem Schutz vor kopplungsinduziertem Quenchverlust. Drittens werden die Auswirkungen eines Quenches in einem einzelnen Beschleunigungsmagneten auf einen Stromkreis untersucht, der Hunderte dieser Magnete versorgt.

Um diese Ziele zu erreichen, ist die Entwicklung von Simulationswerkzeugen erforderlich, die für HTS-basierte Beschleunigermagnete geeignet sind und beschreiben, wie die lokale Stromverteilung im Leiter durch den Beginn eines Quenches beeinflusst wird, wie die Spitzentemperatur im Leiter durch die Detektions- und Schutzmethode verändert wird und wie sich ein Quench in einem einzelnen Beschleunigermagneten auf einen Stromkreis auswirkt, der Hunderte solcher Magnete enthält. Um der potenziellen Komplexität solcher Werkzeuge gerecht zu werden, ist es wichtig, die am besten geeigneten numerischen Multiphysik-Formulierungen im Hinblick auf Abmessungen, Stabilität und Kompromisse zwischen Genauigkeit und Leistung zu untersuchen. Darüber hinaus sollten Möglichkeiten für kooperative Simulation und Cluster-Computing untersucht werden.

Die Ergebnisse dieser Studien werden verwendet, um den Entwurf der HTS-basierten Modell- und Prototyp-Magnete und der damit verbundenen Schutzvorrichtungen am CERN voranzutreiben. Schließlich soll der Schutz dieser Prototyp-Magnete experimentell demonstriert werden.

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