Technologie zukünftiger supraleitender Beschleuniger mit hohen Gradienten (Technology of highgradient superconducting future accelerators - TOSCA) - Unterprojekt ATTAVANTI; Verbund: 05H2021 - R&D BESCHLEUNIGER (TOSCA)

Abstract

Im Rahmen des TOSCA-Projekts, das auf dem STenCIL-Projekt aufbaut, wurden weiterführende Untersuchungen des Designs des Quadrupolresonators (QPR) unter multiphysikalischen Gesichtspunkten durchgeführt. Ziel war es, die Hochfrequenzeigenschaften von Supraleitern präzise zu bestimmen. Es kann als gesichert gelten, dass die Erforschung der fundamentalen Eigenschaften von Niob (Nb3Sn), die unter anderem durch präzise Oberflächenmessungen erfolgt, die Weiterentwicklung der supraleitenden Hochfrequenz (SRF)-Technologie vorantreiben wird. Der QPR fungiert in diesem Zusammenhang als spezialisiertes Gerät für kalorimetrische Messungen. In unserer Forschung lag der Fokus darauf, einen zuverlässigen und vorhersagbaren Algorithmus zur Abschätzung von Formabweichungen des QPR zu entwickeln, die durch die Lorentz-Kraft und hydrostatischen Druck verursacht werden. Diese Phänomene sind potenziell für Symmetriebrechungen im QPR verantwortlich, was zum Eindringen elektromagnetischer Felder in der kalorimetrischen Kammer, zu Jouleschen Verlusten und zu Messfehlern beim Oberflächenwiderstand im dritten Mode (1,3 GHz) führen könnte. Um die Effekte der Lorentz-Kraft-Verstimmung und der Mikrophonik auf das Gerät zu simulieren, wurde erfolgreich eine Unsicherheits- und Worst-Case-Erwartungsmethode entwickelt und implementiert, um die Formabweichungen des QPR zu analysieren. Einerseits ermöglicht diese Methode die Quantifizierung des Einflusses von Fertigungstoleranzen und Abweichungen durch die Lorentz-Kraft-Verstimmung. Darüber hinaus erlaubt sie einen effektiven Vergleich bestehender QPR-Konfigurationen. Der multiphysikalische Algorithmus wurde mathematisch fundiert hergeleitet und bietet ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Phänomene, die durch die resultierenden oberen Schranken in der Suprenumsnorm quantifiziert werden können. Im zweiten Teil des Projekts wurde ein robustes, multikriterielles (MO) und multiphysikalisches Optimierungsframework angewendet, um das optimale QPR-Design zu finden. Im Rahmen der Optimierung im Pareto-Sinn wurde das modifizierte Verfahren des steilsten Abstiegs in der Space-Mapping-Methode genutzt, um den Optimierungsprozess zu beschleunigen. Schließlich konnte ein optimiertes, robustes Design des QPR (Lösung C) identifiziert werden, das die ursprüngliche HZBQPR-Konfiguration in Bezug auf die folgenden Gütefunktionen für den dritten Modus signifikant übertrifft: den So wurde der Homogenitätsfaktor um 24 %, der Fokussierungsfaktor um 38 % und der dimensionslose Faktor um 183 % gesteigert. Zudem wurde die maximale Lorentz-Kraft-Strahlung bzw. die maximale Verschiebung um -7,4/-79 % verbessert. Als Nebeneffekt konnte die berechnete Temperatur im Flansch der kalorimetrischen Kammer für die optimierte Struktur um 60 % reduziert werden. Das modifizierte QPR-Design ermöglicht demnach eine höhere Auflösung bei der Bestimmung des Oberflächenwiderstands für verschiedene Betriebsmodi, was folglich zu einer Verbesserung der Genauigkeit der Oberflächenwiderstandsmessungen für den dritten Modus im Vergleich zu den HZB- und CERN-Designs führt. Datei-Upload durch TIB