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Studentische Arbeiten in der Kryotechnik und Tieftemperaturphysik

Studierende

auf Anfrage

Frau Elisa Bellack (Personal)

+49-351-4081-5017

Praktikum, Diplom, Master, Bachelor

Entwicklung innovativer magnetisch rauscharmer Helium-Kryostate für hochempfindliche Messungen

Themengebiet:

Im Rahmen des Projekts „Magnetisch rauscharme LHe Kaltkopf-Kryostatierungen (Lowise)“, soll intensiv an der Entwicklung nicht-metallischer magnetisch sehr rauscharmer Heliumkryostate für hochempfindliche Messungen am ILK Dresden geforscht werden.
Für die Kühlung der vorgesehenen kalten SQUID-Gradiometer (engl. Superconducting Quantum Interference Device) werden spezielle Anforderungen am Kryostaten umgesetzt. Ein wichtiger Punkt dabei ist, dass dafür ein magnetisches Rauschen in der Größenordnung von 1 bis 3 ft/√Hz angestrebt wird, was durch einen speziellen Aufbau aus glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) erreicht werden soll. Der Kryostat soll als geschlossener Kühlkreislauf unter Nutzung eines Kryokühlers ausgelegt werden, so dass mit einer einzigen Befüllung eine uneingeschränkte Messzeit ermöglicht werden soll. Weiterhin sollen für diese Kryostaten Möglichkeiten erarbeitet werden, so dass diese auch lageunabhängig betrieben werden können.
Mögliche Arbeitsinhalte:

  • Erarbeitung von Materialdatensätzen von anisotropen Materialien in Ansys Composite PrepPost (ACP) zur Verwendung in numerischen Analysen.
  • Experimentelle Untersuchung des Permeationsverhalten von unterschiedlich beschichteten GFK-Materialien mit Ergebnisauswertung.
  • Konstruktive Überarbeitung des inneren Aufbaus eines bestehenden Kryostatsystems auf Basis vorhandener / optimierter Geometrievorschläge.
  • Halter-Konstruktion für die einzusetzenden SQUID-Sensoren zur Abdeckung aller drei Raumrichtungen.
  • Numerische und / oder analytische Analysen der Designvarianten hinsichtlich ihrem statisch mechanischen, dynamischen und thermischen Verhalten.
  • Fertigungsgerechte Konstruktion der Designvorzugsvariante mit 2D-Zeichnungsableitung.
  • Experimentelle Untersuchungen an dem aufgebauten Kryostatsystem hinsichtlich Leckage, Verflüssigungsleistung und magnetischer Rauscharmut.

Bewerbung an: Frau Elisa Bellack bewerbung@ilkdresden.de
Ansprechpartner: Herr Gregor Trommler gregor.trommler@ilkdresden.de

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Entwicklung eines kryogenen magnetbasierten Luftzerlegers

Kern der Arbeit ist die präzise Vermessung des Einflusses verschiedener Prozessparameter auf die kryogene magnetbasierte Anreicherung von Sauerstoff aus Luft. Basierend auf den erarbeiteten experimentellen Daten sollen Parameterzusammenhänge identifiziert und mittels physikalischer, thermodynamischer und fluiddynamischer Modelle heuristisch-analytisch erklärt werden. Mit den so gefundenen Korrelationen sind abschließend geeignete Optimierungsmöglichkeiten zur magnetbasierten Luftzerlegung zu erarbeiten.

Alle Messungen sollen an einem im Hause gefertigten Versuchsstand zur experimentellen magnetbasierten Luftzerlegung durchgeführt werden.

Hinweise zur Themenbearbeitung:

  • Die konkret zu erfüllenden Arbeiten können hinsichtlich individueller Fertigkeiten und Interessen angepasst werden.
  • Auf Wunsch ist auch eine Bearbeitung in englischer Sprache möglich.
  • Die Abschlussarbeit kann frühestens ab März 2023, gerne auch später, begonnen werden.

Deine Tätigkeitsschwerpunkte sind insbesondere:

  • Experimentelle Arbeiten an einem kryogenen Aufbau zur magnetbasierten Luftzerlegung (Parametereinstellung, Vermessung, Wechsel der Magnetmodule, Unterstützung bei Fehlerbehebung).
  • Analyse, Auswertung und Interpretation von Messdaten.
  • Erstellung von heuristisch-analytischen Modellen zur Erklärung der beobachteten Zusammenhänge.

Bewerbung an: Frau Elisa Bellack bewerbung@ilkdresden.de
Ansprechpartner: Dr. rer. nat. Erik Neuber erik.neuber@ilkdresden.de

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Experimentelle Untersuchungen an innovativen Pulse-Tube-Kryokühlern

Themengebiet: Seit ihrer Erfindung durch Gifford und Longsworth im Jahre 1964 haben verschiedene Arten von Pulse-Tube-Kühlern eine rasante Entwicklung hinsichtlich ihrer kryotechnischen Parameter erfahren. Sie sind sowohl zur Erzeugung sehr tiefer Temperaturen bis teilweise unter 2 K (–271°C) als auch zur Erzeugung hoher Kälteleistungen bis über 1000 W  bei 80 K (–193°C) geeignet.

Das ILK Dresden entwickelt Pulse-Tube-Kühler unterschiedlicher Leistungsklassen (vom Miniaturkühler bis hin zum Hochleistungskühler) für neue Anwendungsfälle. So gibt es zur Zeit Entwicklungen für mobile Anwendungen (speziell im Bereich Wasserstoff und Erdgas als kryogener Kraftstoff), Entwicklungen für stationäre Anwendungen (im mittlerer Kälteleistungsbereich von 10 bis 50 W bei 80 K) und Entwicklungen von Hochleistungs-Pulse-Tube-Kühler (mit Kälteleistungen von mindestens 1000 W bei 80 K, z. B. zur Kühlung von Energieanlagen mit Hochtemperatursupraleitern oder für Rückverflüssigungsanlagen).

Arbeitsinhalt: Es sind experimentelle Aufbau- und Optimierungsmaßnahmen und Untersuchungen an Erprobungsmustern durchzuführen. Bei unterschiedlichen Betriebsregimes sind innere Druckverläufe, Temperatur-Zeit-Verläufe (Abkühlungsmessungen) und die Kälteleistung bei verschiedenen Arbeitstemperaturen aufzunehmen und auszuwerten. Ziel der Untersuchungen ist insbesondere die Erprobung der neuen technischen Konzepte auf ihre Funktions- und Leistungsfähigkeit.

Ansprechpartner/in: Dipl.-Ing. Gunar Schroeder

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Aufbau und Optimierung eines Thermometer-Kalibrierstands für sehr tiefe Temperaturen

Themengebiet: Temperatursensoren für den kryogenen Einsatzbereich werden für eine Vielzahl von Projekten, insbesondere in der Forschung, benötigt. In komplexen Großforschungsanlagen werden mehrere Tausend Stück davon eingesetzt. Da die gemessenen Temperaturen oft sehr sensible Größen für die Analyse des Anlagenverhaltens etc. darstellen, ist eine hochpräzise Messung erforderlich. Das ILK Dresden hat in den vergangenen Jahren kontinuierlich Versuchsaufbauten zur Kalibrierung von Tieftemperatur-Sensoren entwickelt, verbessert und für eine Vielzahl von Kalibriermessungen genutzt. Wesentliche Aufbauten sind ein teilautomatisierter Messplatz, welcher mit Flüssighelium arbeitet und Minimaltemperaturen bis hinab zu ca. 1,4 K ermöglicht, sowie ein vollautomatisierter Versuchsstand für die gleichzeitige Messung an bis zu etwa 40 Sensoren, dessen Kühlung bis hinab zu ca. 3,5 K durch einen Pulsrohrkühler erfolgt. Dabei konnten wichtige Teillösungen wie die thermische Dämpfung der bauartbedingten Temperaturoszillationen realisiert werden.
Nunmehr ist angestrebt, einen weiteren vollautomatisierten Kalibrierplatz mit Pulsrohrkühler aufzubauen, welcher jedoch auch Temperaturen unter 3,5 K erschließt. Dazu ist ein ergänzender Helium-Kreis mit Joule-Thomson-Ventil erforderlich. Je nach verwendetem Heliumisotop können Minimaltemperaturen von ca. 1,5 K oder 0,8 K erzielt werden.

Arbeitsinhalt: Zunächst sollen thermische Berechnungen für ausgewählte Komponenten des Joule-Thomson-Kreises durchgeführt werden, beispielsweise für die Auslegung des Wärmeübertragers. Im Ergebnis der Auslegung ist auch zu entscheiden, ob das bei tieferen Temperaturen verdampfende Isotop 3He oder das kostengünstigere 4He eingesetzt wird. Die komplette Dimensionierung des Kreises ist ausdrücklich nicht Ziel des Praktikums; vielmehr soll durch die Mitarbeit ein Grundverständnis für die thermischen Zusammenhänge erarbeitet werden. Daran schließt sich die Mitwirkung beim Aufbau des Kalibrierplatzes an. Schwerpunkt der Praktikumsarbeit soll dessen Optimierung auf Basis systematischer experimenteller Untersuchungen und deren Analyse sein. Dies schließt sowohl die Variation thermodynamischer Parameter als auch mögliche Änderungen an einzelnen Komponenten ein. Zu beachten ist weiterhin die starke temperaturabhängige Varianz vieler Einflussfaktoren. Schließlich sind Vorschläge für das bestmögliche Betriebsregime des Messplatzes abzuleiten.

Ansprechpartner/in: Dr. rer. nat. Matthias Schneider

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Mehrphasige kryogene Fluide

Themengebiet:

Bei der Auslegung von Behältern, Rohrleitungen und Sicherheitstechnik für siedende kryogene Medien in Verbindung mit großen thermischen bzw. elektrischen Leistungen bestehen immer wieder Unsicherheiten bezüglich Bewertung der dynamischen Siedebedingungen. Diese sind z. B. beim Quenchen von Supraleitern, einem Lichtbogen innerhalb des kryogenen Mediums oder anderen plötzlich auftretenden, hohen Leistungs­einträgen, die lokal oder global auftreten relevant. Außerdem wird für Flüssigerdgas, Stickstoff-, Wasserstoff- und Heliumanwendungen im Zusammenhang mit dem Auftreten mehrphasiger Strömungs- und Entspannungsvorgänge ein sehr komplexes Verhalten beobachtet. Ziel der Arbeiten ist es, die Prozesse, die während des plötzlichen Verdampfens kryogener Medien auftreten, besser zu verstehen, zu beschreiben und zu bewerten, sowie daraus Möglichkeiten zur verbesserten Auslegung und zum effizienten Betrieb von Sicherheitstechnik und leistungsübertragenden Bauteilen in Anlagen mit kryogenen Medien abzuleiten.

Neben diesen sicherheitsrelevanten Fragestellungen sind mehrphasige Fluide auch beim Verhalten von kryogenen Bauteilen zu beachten. Als typisches Beispiel kann das Venturi-Rohr zur Strömungsmessung gelten, welches sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase sehr stabile Messwerte liefern kann, während im Zweiphasengebiet erhebliche Fluktuationen (Druckschwankungen) auftreten.

Arbeitsinhalt:

Innerhalb dieser Arbeit sollen wichtige Zusammenhänge für mehrphasige Fluide und kryogene Komponenten mit numerischen Simulationen beschrieben werden (vor allem mittels ANSYS FLUENT/CFD). Parallel dazu sollen systematische experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden. Eine studentische Abschlussarbeit kann entweder einen dieser beiden Inhalte zum Schwerpunkt haben oder beide Herangehensweisen miteinander kombinieren.

Mögliche Aufgabenstellungen sind beispielsweise Ursachen und Einflussfaktoren für das Auftreten von Siedeverzug in Kryostaten, der Einfluss von Wärmestrahlung und Konvektion im kryogenen Medium, wichtige Einflussgrößen zur Optimierung der Strömungsquerschnitte von Sicherheitselementen (hinsichtlich des Druckaufbaus im Behälter) und die Wirksamkeit des Behältervolumens zur Dämpfung / Entlastung bei lokalen Ereignissen.

Ansprechpartner/in: Dr. rer. nat. Matthias Schneider

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