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Studentische Arbeiten in der Kryotechnik und Tieftemperaturphysik

Studenten/Auszubildende

auf Anfrage

Dr. rer. nat. Matthias Schneider

+49-351-4081-609

Praktikum, Diplom, Master, Bachelor

Übersicht der Themenangebote

Entwicklung innovativer magnetisch rauscharmer Heliumkryostate für Magnetokardiographie

Themengebiet: Im Rahmen des Projekts „Neuartiger GFK-Kryostat mit geschlossenem Kühlkreislauf für Magnetokardiographie (Mario)“, welches beim Bundesministerium für Wirtschaft und Energie über den Projektträger AiF Projekt GmbH – ZIM – beantragt ist (FuE Kooperationsprojekt), soll intensiv an der Entwicklung nicht-metallischer magnetisch sehr rauscharmer Heliumkryostate für die Magnetokardiographie am ILK Dresden geforscht werden.

Für die Magnetokardiographie werden für die Kühlung der vorgesehenen kalten SQUID-Gradiometer (engl. Superconducting Quantum Interference Device) 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.

Arbeitsinhalt: Neben einer konzeptionellen Überarbeitung des inneren Aufbaus eines bestehenden Kryostat-systems ist eine geeignete / optimierte Geometrie zu erarbeiten. Für diese Geometrie sind Materialien auszuwählen und hinsichtlich Eignung zu überprüfen (z.B. durch Permeationsmessungen). Durch Modellierung der inneren Wärmeströme des Kryostaten ist zu klären, wie u.a. die entstehende Strahlungswärme optimal durch ein thermisches Schild abtransportiert werden kann (Anbindung der ersten Kaltkopfstufe). Experimentelle Untersuchungen an bestehenden Kryostatsystemen sind ebenfalls Gegenstand der Arbeiten.

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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.

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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.
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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.

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Innovative Stromversorgung

Themengebiet:

Ein wichtiger Baustein für den Betrieb von Supraleitern ist die Stromversorgung. Mittels supraleitender Spulen können gewaltige Energiemengen gespeichert werden. Beispielsweise werden die supraleitenden Spulen des neuen Schwerionenbeschleunigers SIS100 für das FAIR-Projekt bei der GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt) mit bis zu 11 kA betrieben, bei denen Induktionsspannungen von bis zu 1200 V aufgebaut werden können, wenn der Strom im Störfall unterbrochen wird.

Im Rahmen des am ILK Dresden durchgeführten FuE-Projektes „Entwicklung eines intelligenten Systems zur Vorhersage und Vermeidung sowie Detektion von Quenches in Supraleitern (iQDS)“ (FKZ: MF140062) wurden erste Schritte unternommen, Signale an Supraleitern zu erfassen, auszuwerten und darauf zu reagieren. Know-how und einige Entwicklungen aus diesem Projekt stehen für diese studentische Arbeit zur Verfügung.

Arbeitsinhalt:

Es soll eine intelligente innovative Stromversorgung als Vierquadrantensteller entwickelt und aufgebaut werden. Die Entwicklung soll sich durch Sicherheit, Kompaktheit, Genauigkeit, Anwenderfreundlichkeit, Preis- Leitungsverhältnis und Modularität auszeichnen, wobei durch die Kombination von tiefkalter und warmer Elektronik deutliche Vorteile ausgenutzt werden sollen.

Die Stromversorgung besteht aus folgenden, auch einzeln zu betrachtenden Komponenten:

  • Vierquadrantensteller
  • Hochleistungsschalter als innovatives Quench-Protektions-System
  • Tiefkalter Schalter für Erhaltung des Stromflusses in der Spule.

Schwerpunkt der Arbeiten sind Auswahl und Aufbau von Schaltkreisen, sowie experimentelle Untersuchungen und Simulationen.

Betriebsparameter der geplanten Entwicklung sind:

                       14 kA                          ±24 V

                        0,5 MJ Spule              5 MJ Kondensatorbank 

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