Leistungsimpulstechnik "Pulsed Power" für hohe Ströme

Einige Komponenten in Beschleunigeranlagen benötigen sehr hohe Stromstärken. Um diese hohen Ströme in einem konventionellen (d.h. nicht supraleitenden) System zur Verfügung stellen zu können, muss die Dauer des Stromes kurz sein um die benötigte mittlere Leistung gering zu halten und die Kühlung des Systems zu ermöglichen.
Einen derartigen kurzen Strompuls bereitzustellen ist die Aufgabe der Leistungsimpulstechnik, oder auch „Pulsed-Power-Technik“. Im Wesentlichen wird dabei ein Energiespeicher (z.B. eine Kondensatorbank) langsam aufgeladen. Benötigt man nun die hohe Stromstärke so wird der Energiespeicher in kurzer Zeit entladen. Die kurze Zeitdauer führt zu einer sehr hohen Spitzenleistung.
Zwei Anwendungen für diese Technik sind gepulste Quadrupollinsen und das magnetische Horn zur Fokussierung von Antiprotonen.

Gepulste Quadrupollinse

Quadrupolmagneten fokussieren einen Ionenstrahl in einer Ebene und defokussieren ihn in der dazu senkrechten Ebene. Aus diesem Grund werden immer zwei oder drei Quadrupole gemeinsam betrieben. Damit lässt sich der Ionenstrahl fokussieren.
Um eine hohe Magnetfeldstärke zu erreichen werden sogenannte Luftspulen eingesetzt. Dies bedeutet, dass kein ferromagnetisches Material verwendet wird um den Magnet aufzubauen („eisenfrei“). Damit umgeht man Sättigungseffekte im Material. Allerdings werden sehr hohe Ströme (in unserem Fall bis zu 400 kA) benötigt um die erforderlichen Magnetfelder zu erzeugen. Die vier einzelnen Pole werden durch stromführende Leiter gebildet. Um die Feldqualität zu erhöhen wird die Leitergeometrie einer „cos 2θ“ Verteilung angepasst.

In konventionellen System führen derartige Stromstärken zu einem schmelzen der Leiter und zu extremen Energiekosten. Dieses Problem lässt sich entweder durch den Einsatz von Supraleitern umgehen oder durch gepulsten Betrieb des Magneten lösen.

In unserem Fall wird ein gepulster Quadrupol entwickelt und ein erster Prototyp aufgebaut. Der Schaltplan des ersten Versuchs sieht folgendermaßen aus:

 

Der Kondensator C1 wird langsam auf die Betriebsspannung von 4,7 kV aufgeladen. Dies dauert einige Sekunden. Die gespeicherte Energie liegt bei etwa 5 kJ. Bei einer Ladezeit von 10 Sekunden ergibt dies eine mittlere Leistung von 500 W.

Zu einem festgelegten Zeitpunkt wird die im Kondensator gespeicherte Energie schnell dem gepulsten Quadrupol zugeführt. Eine Simulation mit LTSpice (Linear Technology, www.linear.com) zeigt den zu erwartenden Strom- und Spannungsverlauf:

/fileadmin/PSchwab/Abteilungen/PBHV/Fotos_und_Bilder/Schaltplan_QP-Linse.png

 

Man sieht, dass sich der Kondensator in weniger als 200 µs entlädt. Die mittlere Leistung während des Strompulses ist etwa 25 MW und somit 50000 Mal höher als die Ladeleistung.

Der Prototyp ist im Bild unten zu sehen.

Im oberen Teil des Bildes sieht man den Quadrupol in seinem Gehäuse, während die Leistungsimpulstechnik (hier ein Kondensator, der Hochspannungsschalter und ein Abschlußwiderstand) unter dem Magneten angebracht ist.
Das dazugehörige Hochspannungsnetzteil und die Ansteuerelektronik des Schalters ist nicht im Bild zu sehen.

/fileadmin/PSchwab/Abteilungen/PBHV/Fotos_und_Bilder/Graph_QP-Linse.png

 

 

Die hier gezeigte elektrische Beschaltung soll in Kürze durch eine energieeffizientere Variante ersetzt werden:

 

/fileadmin/PSchwab/Abteilungen/PBHV/Fotos_und_Bilder/QP-Linse.png

 

Dieser Aufbau wird bei gleicher Spannung am Kondensator (und damit gleicher gespeicherter Energie) einen Strompuls liefern, der mehr als doppelt so hoch ist als der Stromimpuls im ursprünglichen Design.

/fileadmin/PSchwab/Abteilungen/PBHV/Fotos_und_Bilder/Schaltplan2_QP-Linse.png

 

 


 

Haben Sie noch weiterführende Fragen oder Anmerkungen, so senden Sie bitte eine Email an P. Schwab