A contribution to the development and characterization of rotating-coil magnetometers

• Ein Beitrag zur Entwicklung und Charakterisierung von Drehspulen-Magnetometern

Rogacki, Piotr; Hameyer, Kay (Thesis advisor); Russenschuck, Stephan (Thesis advisor)

Düren : Shaker Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Schriftenreihe zur elektromagnetischen Energiewandlung 45
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Elektromagnete sind wesentliche Bestandteile von Teilchenbeschleunigern und müssen ein sehr homogenes Magnetfeld erzeugen um Bahnverzerrungen und Resonanzen im Teilchenstrahl zu begrenzen. Magnetische Messungen sind notwendig, um die Feldparameter der Beschleunigermagnete mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen. Die steigenden Anforderungen an die Magnete für neue Teilchenbeschleuniger (z. B. das High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) Projekt gegenüber dem Baseline Large Hadron Collider (LHC)) erfordert die Entwicklung und Modernisierung von magnetischen Messsystemen. Gleichzeitig werden kleinere Teilchenbeschleuniger verstärkt für medizinische, industrielle und wissenschaftliche Zwecke eingesetzt. Auch wenn Magnete für diese Beschleuniger möglicherweise geringere Genauigkeitsanforderungen haben, müssen sie dennoch vermessen werden, um Toleranzen und Fehler im Produktionsprozess zu identifizieren. Dies erfordert Messsysteme mit reduzierter Komplexität, die ohne Expertenwissen konstruiert und gebaut werden können. Das Hauptziel der Dissertation ist es die Genauigkeit und Funktionalität von Drehspulenmagnetometern zu erhöhen. Durch die Untersuchung der Fehlerquellen der magnetischen Messsysteme sowie ihrer Konstruktionsprinzipien können die Zielkonflikte (Genauigkeit und reduzierte Komplexität) gleichzeitig adressiert werden. Basierend auf den Anforderungen der HL-LHC-Magneten wird ein neuartiger Ansatz für einen Drehspulenscanner vorgeschlagen und validiert. Der in dieser Arbeit entwickelte Scanner basiert auf einer mehrschichtigen Leiterplatte mit einer Anordnung von gedruckten Spulen anstelle von herkömmlichen, gewickelten Spulen. Ein hohes Maß an Kontrolle über die Spurpositionierung auf der Leiterplatte ermöglicht eine Verbesserung der Kalibrierungsgenauigkeit, die erforderlich ist, um die Anforderungen für lokale Messungen der magnetischen Flussdichte zu erfüllen. Um die erforderliche Genauigkeit bei der Messung des Feldzentrums zu erreichen, wird der Scanner mit Retroreflektoren ausgestattet, die direkt auf der Leiterplatte montiert sind und von einem Lasertracker erfasst werden. Die Retroreflektoren ermöglichen eine genaue Messung der Position der Feldachse. Hochauflösende Encoder werden eingesetzt, um die Messzeiten deutlich zu verkürzen und Messungen von Magneten bei Wechselstromerregung zu ermöglichen. Das entwickelte System eignet sich somit auch für Messungen der Feldlachse in Magneten höherer Ordnung, wie Sextupolen und Oktupolen. Eine detaillierte mikroskopische und geometrische Untersuchung der Leiterplatte zeigt, dass mit einer geometrischen Vermessung mehrerer Referenzpunkte auf einer Leiterplatte die Induktionsspulenoberfläche anhand der Geometriedaten mit einer Genauigkeit von 300 ppm ermittelt werden kann, was vergleichbar ist mit der der Genauigkeit bei der Kalibrierung in einem Referenzmagneten. Mit dem vorgeschlagenen Ansatz kann der Spulendrehradius im Vergleich zur Kalibrierung in einem Referenz-Quadrupolmagneten mit mindestens einer Größenordnung höherer Genauigkeit kalibriert werden. Abgesehen von der Erhöhung der Genauigkeit, erlaubt es auch eine die Kalibrierung wenn keine Referenzmagnete zur Verfügung stehen. Durch die Modellierung des Einflusses mechanischer Fehler auf die Gesamtmessunsicherheit wird gezeigt, dass der Einsatz der Leiterplatten-Spulen eine deutliche Reduzierung der mechanischen Anforderungen und Toleranzen ohne Verlust der Messgenauigkeit ermöglicht, auf Grund der verbesserten Kalibrierung und Stabilität, als auch einer effizienteren Kompensation des Hauptfeldes. Experimentelle Validierung und messtechnische Charakterisierung bestätigen, dass die Kombination der vorgeschlagenen Lösungen die Genauigkeit und Funktionalität der Drehspulmagnetometer verbessert und insbesondere die Erfüllung aller Genauigkeitsanforderungen für HL- LHC-Magnete ermöglicht. Das neue System entspricht oder übertrifft die Fähigkeiten der bisher eingesetzten Systeme, während es die Funktionalitäten von drei verschiedenen Messansätzen kombiniert, d.h. Drehspulen-Magnetometer, Spanndrahtsysteme und das ältere "AC-Mole"-System, entwickelt am CERN. Eine Quantifizierung des elektronischen Rauschens im System ergibt, dass der Einfluss der Erfassungselektronik und der Signalübertragung auf die Gesamtsystemunsicherheit nicht mehr vernachlässigbar ist, im Vergleich zu den anderen Fehlerquellen, z.B. der Erfassungsunsicherheit durch mechanische Schwingungen und Unsicherheiten durch Kalibrierfehler. Daher kann eine weitere Erhöhung der Genauigkeit bei Messungen von supraleitenden Magneten bei Umgebungstemperatur eine Reduzierung des Signalübertragungsrauschens oder eine Aufrüstung der Elektronik erfordern. Die Modellierung und Überprüfung der Unsicherheit aufgrund einer Erfassung ohne Integration zeigt, dass die Bandbreitenanforderungen an die Erfassungselektronik erheblich reduziert werden können, ohne die Systemgenauigkeit unter die Anforderungen der HL-LHC- Magneten zu verringern. Damit wird ein weiterer Ansatz zum Entwurf von Drehspulensystemen möglich, bei dem die vereinfachte Erfassungselektronik direkt in die rotierende Welle mit Spulen oder auf die Leiterplatte eingebaut wird. Darüber hinaus wird gezeigt, dass es bei entsprechender Signalbehandlung möglich ist, den Winkelgeber einzusparen, ohne erheblicher Genauigkeitsverlust und nur mit teilweiser Einschränkung der Funktionalität. Diese Erkenntnis ist wichtig für Messungen in hohen Magnetfeldern, beispielsweise in supraleitenden Magneten unter kryotechnischen Bedingungen, bei denen die Encoder bisher außerhalb des Feldes platziert werden müssen; oft weit von den Induktionsspulen entfernt.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Elektromagnetische Energiewandlung und Institut für Elektrische Maschinen [614410]