2.2 Technische Umsetzung der „bender“-Simulationen und deren Auswertung
2.2.1 Berechnung der Magnetfelder mittels CST
Um Strahltransportsimulationen durch das Injektionssystem durchführen zu können, wurden die Magnetfelder der beiden Toroide sowie des Injektionsmagnets benötigt. Daher wurden diese mittels des Programms „CST STUDIO SUITE 2014“ (M-Static Solver) [20] berechnet. Für die Berechnung des Magnetfelds der Toroide wurde als Grundlage auf frühere Untersuchungen zu-rückgegriffen [11], um sicher gehen zu können, dass das berechnete Magnetfeld mit dem realen Feld möglichst übereinstimmt. So wurde dieselbe Konfigurationsdatei wie bei früheren Untersu-chungen verwendet, um davon ausgehen zu können, dass die Geometrie sowie die Einstellungen zum Stromfluss (Referenzstrom: 480 A) durch die Pancakes mit den realen Gegebenheiten zu-sammenpassen. Da nur eine Konfigurationsdatei vorlag und die beiden Magneten baugleich sein sollten, wurde das Magnetfeld nur einmal berechnet und dieses dann für beide Toroide verwen-det. Unterschiede zwischen den beiden Magneten aufgrund der Produktion flossen somit nicht in die Simulationen ein. Für die Berechnung des Magnetfelds des Injektionsmagneten wurde eine Spule mit den jeweiligen geometrischen Parametern angelegt sowie ein Referenzstrom und eine Windungsanzahl festgelegt.
In Abbildung 2.3 sind zwei Screenshots des Toroids aus „CST STUDIO SUITE 2014“ dargestellt,
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Abbildung 2.3:Toroidsegment in „CST“ von der Seite sowie mit Boundary Box von oben
während in Abbildung 2.4 dasselbe für die Injektionsspule zu sehen ist.
Bei der Betrachtung der Abbildungen fällt zunächst vor allem die Größe der Boundary Box – vor allem beim Toroid – auf. Da die Toroide ungeschirmt sind, nimmt die Stärke des Magnet-felds deutlich langsamer ab als bei herkömmlichen, geschirmten Magneten. Gleichzeitig weist der Toroid mit 0,6 T eine hohe Magnetfeldstärke auf, so dass auch in Abständen von einigen Metern noch Auswirkungen auf geladene Teilchen auftreten können. Beispielsweise muss zur genauen Bestimmung des Magnetfelds vor dem ersten Toroidmagnet auch das Magnetfeld des zweiten Toroids an dieser Position in die Betrachtung des Gesamtfelds mit einfließen. Um eine möglichst gute Übereinstimmung der Magnetfelder zwischen Simulationen und Realität bei der Betrachtung des gesamten Injektionsexperiments zu erhalten und somit die Auswirkungen jedes einzelnen ungeschirmten Magnets auf die Strahldynamik mittels der Simulationen mit einzu-beziehen, war eine solche große Boundary Box notwendig. Eine weitere Auffälligkeit auf den Abbildungen sind die blauen Zylinder vor und hinter den Strahlrohren der Magneten. Diesen Elementen werden zur genaueren Definition des Meshs für die Berechnungen benötigt. Bei der Konfiguration des Meshs war darauf zu achten, dass die Präzision der Simulationen im Bereich von einem Millimeter nicht durch die Verwendung eines undetaillierten Magnetfelds reduziert wird. Daher wurde versucht ein kubisches Mesh mit einem Millimeter Kantenlänge für die Be-rechnung der Magnetfelder zu verwenden. Aufgrund der großen Boundary Box war dies aber aus technischen Gründen nicht für den gesamten Raum möglich. Daher wurde entschieden, das Magnetfeld nur im Bereich des Strahltransports mit einer so hohen Präzision zu berechnen. So wurde das Mesh in den Strahlrohren der Magneten sowie davor und dahinter im Bereich der blauen Zylinder auf die Genauigkeit von einem Millimeter in alle drei Dimensionen gesetzt, wäh-rend außerhalb dieses Bereichs die Auflösung des Mesh deutlich geringer gewählt wurde. Mittels dieser Abstufungsmethode, welche in „CST STUDIO SUITE 2014“ zur Verfügung steht, konnte das Mesh an den entscheidenden Stellen genauer gesetzt und damit das Magnetfeld in diesen Bereichen mit einer Präzision von einem Millimeter berechnet werden. Aufgrund des Umstands, dass im Vergleich zu früheren Untersuchungen des Magnetfelds mittels „CST“ deutlich mehr Rechenleistung zur Verfügung stand, konnte die Präzision der Berechnungen so deutlich erhöht
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Abbildung 2.4:Injektionsspule in „CST“ von der Seite sowie mit Boundary Box von oben
Tabelle 2.4: Verwendete Injektionssolenoide zur Auslegung und Untersuchung des Injektionssystems / Parameter: Innendurchmesser DInnen, Außendurchmesser DAußen, Länge L, Magnetfeldstärke auf der Achse BAchse, Windungen N und Referenzstrom IRef
Injektionsspule DInnen DAußen L BAchse N IRef
DesignNsym 240 mm 300 mm 240 mm 0,209 T 200 300 A
DesignNsym_300_266_Danfysik1 240 mm 300 mm 266 mm 0,251 T 190 399 A DesignNsym_204_300_240 204 mm 300 mm 240 mm 0,271 T 250 300 A
Danfysik_Final_18 240 mm 318 mm 238 mm 0,247 T 180 400 A
werden.
Um die berechneten Magnetfelder in „bender“ einlesen und dort verwenden zu können mussten diese mittels des Programms „ReadCST“ (Hilfsprogramm zu „bender“) ausgelesen und in ein kompatibles Format umgewandelt werden. Danach konnten die Magnetfelder direkt beim Start der jeweiligen Simulation eingelesen und verwendet werden.
Im Rahmen der Auslegung des Injektionssystems wurde immer dasselbe Magnetfeld für beide Toroide eingesetzt. Dieses wurde mit einem Referenzstrom von 480 A berechnet und hatte somit eine Magnetfeldstärke von 0,6 T auf der Achse in der Mitte des Toroids. Gleichzeitig kamen verschiedene Injektionsmagneten und damit unterschiedliche Magnetfelder für diese Spule zum Einsatz. Dabei unterschieden sich diese hauptsächlich durch deren geometrische Parameter. Die daraus resultierenden Unterschiede in der Magnetfeldstärke auf der Achse entstammen neben der Geometrie aber auch dem Referenzstrom, mit dem die Magnetfelder berechnet wurden. In Tabelle 2.4 sind die für die Simulationen berechneten und in dieser Arbeit verwendeten Magnet-felder der Injektionssolenoide aufgelistet. Dabei sind neben der geometrischen Parameter das maximale Magnetfeld auf der Achse, die Windungsanzahl und der Referenzstrom angegeben.
Mit den berechneten Magnetfeldern der Injektionsspulen sowie dem der Toroiden wurde das Injektionssystem mittels Simulationen untersucht und ausgelegt. Die erste Spule stellte den Ausgangspunkt dar und wurde auf Grundlage der Ausgangsparameter dieser Arbeit (siehe Ta-belle 2.2) festgelegt. Die beiden darauffolgenden Spulen wurden während der Auslegung und Entwicklung der Komponenten des Injektionssystems definiert und ermöglichten genauere und
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weiterführende Untersuchungen. Die letzte Spule besitzt die Parameter der realen Injektionss-pule in der ins Experiment eingebauten Konfiguration und wird in den Simulationen zum finalen Injektionssystem verwendet.