Diplomarbeit Auslegung und Konstruktion eines Proton ... · Die Zusammenfassung _____ Die Zusammenfassung Das Thema dieser Diplomarbeit ist die Auslegung und die Konstruktion eines

Diplomarbeit

Auslegung und Konstruktion eines Proton – Emittanz –Monitors

Kandidat Martin Borchard

Matrikel – Nummer: 155 20 81

Erstprüfer: Prof. Dr. Ing. Joachim Koeppen Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Zweitprüfer: Prof. Dr. Ing. Wolfgang Schulz Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Betreuer: Dr. Gero Kube Dipl. Ing. Christan Wiebers Deutsches Elektronen – Synchrotron Hamburg

Hamburg, September 2005

Danksagung

Mein besonderer Dank gilt den Prüfern Herrn Prof. Dr. Ing. Joachim Koeppen und Herrn

Prof. Dr. Ing. Wolfgang Schulz für die Betreuung dieser Diplomarbeit.

Weiterhin gilt mein besonderer Dank den Betreuern und Angestellten beim

Forschungsinstitut DESY, die mich bei der Ausführung der Arbeit durch Ihre kooperative

Zusammenarbeit unterstützt haben. Dieser Dank gebührt in besonderer Weise Frau

Silke Vilcins – Czvitkovits, Herrn Christian Wiebers und Herrn Gero Kube, sowie den

namentlich nicht genannten Mitarbeiter der Gruppe MDI.

Für die persönliche Unterstützung während dieser Zeit möchte ich mich bei Frau Ingrid

Wahlmeyer bedanken.

Die Zusammenfassung ______________________________________________________________________

Die Zusammenfassung

Das Thema dieser Diplomarbeit ist die Auslegung und die Konstruktion eines Proton –

Emitanz – Monitors für das Forschungsinstitut DESY in Hamburg. Dieser Proton –

Emittanz – Monitor soll in dem Teilchenbeschleuniger HERA dazu verwendet werden

die Strahlemittanz des Protonenstrahls zu ermitteln. Dies ist notwendig, weil mit dem

Ergebnis die Effizienz der in den Wechselwirkungszonen sich ereignenden Experimente

gesteigert wird.

Die technische Ausarbeitung dieser Diplomarbeit orientiert sich an der VDI – Richtlinie

2221. Die in dieser Richtlinie beschriebenen Vorgänge werden in vier Phasen

umgesetzt. In der Informationsphase wird im Rahmen der Einleitung, der Beschreibung

der Aufgabe und den allgemeinen Grundlagen über die Strahlung die Aufgabenstellung

geklärt und präzisiert. In der Konzeptphase werden methodisch die benötigten

Wirkprinzipien und die Funktionen entwickelt und anschließend bewertet. Für die

ermittelten Wirkprinzipien und Funktionen werden Komponenten und

Gestaltungsmöglichkeiten erstellt, und diese werden in der Funktionsbeschreibung

erläutert. Die Ergebnisse der Konzeptphase werden in der Konstruktionsphase mittels

der erstellten Lösungsansätze umgesetzt. In der Phase der Produktdokumentation wird

anhand der Fertigungsunterlagen die technische Realisierung der in der Konzeptphase

formulierten Anforderungen beschrieben. Abschließend gibt das Fazit und der Ausblick

einen Überblick über den erzielten Erfolg und über die zukünftigen

Entwicklungsmöglichkeiten des Proton – Emittanz – Monitors.

Inhaltsverzeichnis ______________________________________________________________________

VI

I. Abbildungsverzeichnis ..............................................................- 8 - II. Tabellenverzeichnis ................................................................- 12 - III. verwendete Formeln und Symbole .........................................- 14 - IV. verwendete Abkürzungen .......................................................- 17 - 1. Die Einführung ........................................................................- 19 -

1.1. Der Teilchenbeschleuniger HERA ................................................................... - 20 - 2. Die Aufgabenstellung................................................................- 21 -

2.1. Der bestehende Proton – Emittanz – Monitor.................................................. - 22 - 2.2. Die Neukonstruktion......................................................................................... - 24 -

3. Die allgemeinen Grundlagen der Strahlung..............................- 26 -

3.1. Die verschiedenen Strahlungsarten................................................................. - 26 - 3.1.1. Die Synchrotronstrahlung.......................................................................... - 27 - 3.1.2. Die Untergrundstrahlung ........................................................................... - 34 -

3.1.2.1. Die Schäden durch die Untergrundstrahlung...................................... - 34 - 3.1.2.2. Der Schutz vor der Untergrundstrahlung ............................................ - 35 -

4. Die Konzeptphase ....................................................................- 38 -

4.1. Die Anforderungsliste....................................................................................... - 40 - 4.2. Das Erstellen des Konzeptes........................................................................... - 47 - 4.3. Das methodische Konstruieren........................................................................ - 48 -

4.3.1. Die Funktionsstruktur ................................................................................ - 48 - 4.3.1.1. Die Black Box ..................................................................................... - 49 - 4.3.1.2. Die innere Funktionsstruktur............................................................... - 50 - 4.3.1.3. Die Teilfunktionen ............................................................................... - 52 -

4.3.2. Die Wirkprinzipien und die Lösungsansätze ............................................. - 54 - 4.3.2.1. Die Auflistung der Wirkprinzipien und der Lösungsansätze ............... - 55 - 4.3.2.2. Die Analyse und die Bewertung der Lösungsansätze ........................ - 60 -

4.3.3. Der Morphologische Kasten ...................................................................... - 67 - 4.3.4. Die Festlegung der Variante .................................................................. - 69 -

Inhaltsverzeichnis ______________________________________________________________________

VII

5. Die Funktionsbeschreibung ......................................................- 70 -

5.1. Die Funktionsbeschreibung der verwendeten Komponenten .......................... - 70 - 5.1.1. Die Lineartische......................................................................................... - 70 -

5.1.1.1. Die Schrittmotoren .............................................................................. - 72 - 5.1.2. Die Filterräder............................................................................................ - 74 -

5.1.2.1. Die Polarisationsfilter .......................................................................... - 75 - 5.1.2.2. Die Neutraldichtfilter ........................................................................... - 76 -

5.1.3. Die CAN Bus – Steuerung......................................................................... - 76 - 5.1.4. Die Endstufen zur Schrittmotorsteuerung ................................................. - 77 - 5.1.5. Der Photomultiplier.................................................................................... - 78 - 5.1.6. Die Kamera ............................................................................................... - 80 - 5.1.7. Die Peltier – Kühlelemente........................................................................ - 81 - 5.1.8. Die Spannungsversorgung und der Signalfluss ........................................ - 83 -

5.2. Die Zusammenfassung der Gesamtfunktion.................................................... - 86 - 6. Die Konstruktionsphase............................................................- 88 -

6.1. Die Konstruktion mittels eines 3D – CAD Systems.......................................... - 89 - 6.2. Die Dimensionierung der Bauteile ................................................................... - 92 - 6.3. Die Berechnung der Komponenten und der Bauteile ...................................... - 93 -

6.3.1. Die Berechnung der Komponenten ........................................................... - 93 - 6.3.1.1. Die Berechnung der Geschwindigkeit und der Beschleunigung......... - 94 - 6.3.1.2. Die Überprüfung der Belastung der Lineartische................................ - 95 - 6.3.1.3. Die Berechnung der maximalen Winkelauslenkung der Lineartische. - 96 -

6.3.2. Die Berechnungen der Bauteile ................................................................ - 97 - 6.3.2.1. Die Berechnung der Verbindungselemente........................................ - 97 - 6.3.2.2. Die Berechnung der Gesamtabsenkung der Detektoren.................. - 100 - 6.3.2.3. Die Berechnung der Abschirmung.................................................... - 101 - 6.3.2.4. Die Berechnung des Tragegestelles................................................. - 102 -

6.3.3. Die dynamischen Berechnungen ............................................................ - 102 - 6.3.4. Die Berechnung des Temperatureinflusses ............................................ - 104 -

7. Die Produktdokumentation .....................................................- 106 -

7.1. Die Fertigungsunterlagen............................................................................... - 106 - 7.1.1. Die Abbildung der Bauteile...................................................................... - 106 - 7.1.2. Die Abbildung der Baugruppe ................................................................. - 110 - 7.1.3. Die Stückliste........................................................................................... - 111 - 7.1.4. Die Abbildung des Gesamtproduktes...................................................... - 112 -

7.2. Die Montageanleitung .................................................................................... - 115 - 7.3. Die Betriebsanweisung .................................................................................. - 117 -

8. Fazit und Ausblick...................................................................- 119 - V. Quellenverzeichnis................................................................- 121 - VI. Anhang..................................................................................- 123 -

Kapitel I: Das Abbildungsverzeichnis ______________________________________________________________________

VIII

I. Abbildungsverzeichnis Abb. 1-1: Die Beschleuniger beim DESY…………………………………………. - 20 -

Quelle: DESY Homepage

Abb. 2-1: Die schematische Darstellung zeigt den existierenden

Proton – Emittanz – Monitor…………………………………………….. - 23 -

Abb. 2-2: Das ausgewertete Signal des existierenden

Proton – Emittanz – Monitors…………………………………………… - 23 -

Abb. 3-1: Das abstrahlende Strahlungsfeld bei tangentialer Beschleunigung

nicht relativistischer (a) und relativistischer (b) Teilchen am Beispiel

des Elektron………………………………………………………………. - 27 -

Quelle: [5] Seite 42

Abb. 3-2: Das Verhalten des Strahlungsfeldes bei unterschiedlichen

Geschwindigkeiten……………………………………………………….. - 28 -

Abb. 3-3: Das Energiespektrum der Synchrotronstrahlung und die

verschiedenen Anwendungsgebieten………………………………….. - 29 -

Quelle: DESY99 – TD –S001- H.pdf

Abb. 3-4: Die Darstellung möglicher Schäden durch die vorkommenden

Untergrundstrahlungen im Beschleunigertunnel……………………… - 35 -

Quelle: Diplomarbeit Christian Wiebers , Kiel Dezember 2004

Abb. 3-5: Das Prinzip einer dreistufigen Neutronenstrahlen – Abschirmung….. - 37 -

Quelle: http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/seiten/htm/

020630_Abschirmung_von_Strahlung.htm

Kapitel I: Abbildungsverzeichnis ______________________________________________________________________

IX

Abb. 3-6: Die Beispiele verschiedener Strahlungen und deren Reichweite

durch verschiedene Abschirmungen…………………………………… - 37 -

Quelle: http://www.energiewelten.de/elexikon/lexikon/seiten/htm/

020630_Abschirmung_von_Strahlung.htm

Abb. 4-1: Das Vorgehen bei der Konstruktion neuer technischer Produkte in

Anlehnung an die VDI – Richtlinie 2221……………………………….. - 39 -


Abb. 4-2: Die Konzeptskizze der Nachweisenden Funktionsgruppe des


Abb. 4-3: Die Darstellung der Black Box des Proton – Emittanz – Monitors… - 49 -

Abb. 4-4: Die Abbildung zeigt die innere Struktur des


Abb. 4-5: In der Abbildung sind die Teilfunktionen und die Unterfunktionen

aufgelistet…………………………………………………………………. - 53 -

Abb. 5-1: Die Darstellung eines der eingesetzten Lineartische von OWIS der

LTM 80 Serie…………………………………………………………….. - 72 -

Quelle: OWIS - Katalog

Abb. 5-2: Die Darstellung eines Schrittmotors im seriellen Bipolarbetrieb…….. - 73 -

Quelle: Homepage Nanotec

Abb. 5-3: Die Abbildung eines der eingesetzten Filterräder der Firma OWIS - 74 -


Abb. 5-4: Die Abbildung der Wirkweise von den Polarisationsfiltern…………… - 75 -


Abb. 5-5: Die Abbildung einer eingesetzten Endstufe des Hersteller esd……... - 77 -

Quelle: Handbuch esd


X

Abb. 5-6: Die Abbildung zeigt das Schaltbild der Schrittmotoren –

Endstufe mit Anschlüssen des Motors sowie der Endschalter,

der Energieversorgung und des CAN – Bus……………………… - 78 -

Quelle: Handbuch esd

Abb. 5-7: Die Abbildung des Photomultiplieres R2496 von Hamamatsu….. - 78 -

Quelle: Hamamatsu Katalog

Abb. 5-8: Die Prinzipskizze eines Photomultipliers………………………….. - 79 -

Quelle: Wikipedia, Photomultiplier

Abb. 5-9: Das Abbild der eingesetzten Kamera JAI – 300 M………………. - 80 -

Quelle: Datenblatt der Kamera

Abb. 5-10: Die Abbildung zeigt den Seebeck – Effekt………………………… - 81 -

Quelle: Grundlagen der Peltier - Kühlelemente

Abb. 5-11: Die Abbildung zeigt den Peltier – Effekt…………………………… - 82 -

Quelle: Grundlagen der Peltier - Kühlelemente

Abb. 5-12: Die Schematische Darstellung des Signalflusses………………… - 84 -

Abb. 5-13: Die Schematische Darstellung des Energieflusses……………… - 85 -

Abb. 6-1: Die Abbildung der Achsen der Lineartische in dem

Bezugssystem der Lineartischen………………………………….. - 96 -


Abb. 6-2: Die Positionierungseinheit mit den Bezeichnungen und den

Maßen………………………………………………………………… - 98 -

Abb. 7-1: Die isometrische Ansicht des Bodens……………………………... - 107 -

Abb. 7-2: Die isometrische Ansicht der Wand……………………………….. - 108 -

Abb. 7-3: Die isometrische Ansicht des Stirn Einlass……………………….. - 109 -


XI

Abb. 7-4: Die isometrische Ansicht der Stirn Rückseite…………………….. - 109 -

Abb. 7-5: Die isometrische Ansicht des Deckels Form 1…………………… - 109 -

Abb. 7-6: Die isometrische Ansicht des Deckels Form 2…………………… - 109 -

Abb. 7-7: Die Abbildung der Baugruppe Neutronenabschirmung…………. - 110 -

Abb. 7-8: Die Stückliste der Baugruppe Positionierung…………………….. - 111 -

Abb. 7-9: Das CAD – Modell des Gesamtproduktes, Abbildung von schräg

vorne oben…………………………………………………………… - 112 -

Abb. 7-10: Das CAD – Modell des Gesamtproduktes, Abbildung von

seitlich schräg………………………………………………………… - 113 -

Abb. 7-11: Das CAD – Modell des Gesamtproduktes, Abbildung von schräg

oben……………………………………………………………………. - 113 -

Abb. 7-12: Die Fotografie des Gesamtproduktes, Abbildung von schräg

oben und vorne………………………………………………………. - 114 -

Abb. 7-13: Die Fotografie des Gesamtproduktes, Abbildung von schräg

vorne…………………………………………………………………… - 114 -

Abb. 7-14: Die Betriebsanweisung für den Proton – Emittanz – Monitor…… - 118 -

Kapitel II: Tabellenverzeichnis ______________________________________________________________________

XII

II. Tabellenverzeichnis Tab. 4-1: Die Anforderungsliste………………………………………………… - 46 -

Tab. 4-2: Die Unterfunktion 1 und 4, die Positionierung der Detektoren und

der Filter………………………………………………………………… - 55 -

Tab. 4-3: Die Unterfunktion 2 und 5, die Positionierungssteuerung der

Detektoren und der Filter……………………………………………… - 55 -

Tab. 4-4: Die Unterfunktion 3, der Detektorwechsel…………………………… - 56 -

Tab. 4-5: Die Teilfunktion 5, die Positionierung der Filter in y – Richtung…... - 56 -

Tab. 4-6: Die Unterfunktion 7.1, die Neutronenabschirmung…………………. - 57 -

Tab. 4-7: Die Unterfunktion 7.2, die Gammaabschirmung……………………. - 57 -

Tab. 4-8: Die Teilfunktion 8, die Schwingungsdämpfung……………………… - 58 -

Tab. 4-9: Die Teilfunktion 9, die Wärmeabfuhr…………………………………. - 58 -

Tab. 4-10: Die Teilfunktion 10, die Tragerkonstruktion…………………………. - 59 -

Tab. 4-11: Die Übersicht über die Bewertungskriterien und ihre Wertigkeit….. - 63 -

Tab. 4-12: Die Bewertung der Lösungsansätze der Teilfunktion 1, die

Positionierung der Detektoren………………………………………… - 64 -

Tab. 4-13: Die Bewertung der Lösungsansätze der Teilfunktion 4, der

Filterwechsel…………………………………………………………… - 65 -

Tab. 4-14: Die Bewertung der Lösungsansätze der Unterfunktion 7.1, die

Neutronenabschirmung……………………………………………….. - 66 -

Tab. 4-15: Der Morphologischer Kasten der Teilfunktionen und der

Unterfunktionen mit eingezeichneten Lösungsvarianten…………... - 68 -

Kapitel II: Tabellenverzeichnis ______________________________________________________________________

XIII

Tab. 5-1: Die eingesetzten Lineartische……………………………………… - 71 -

Tab. 5-2: Die Aufschlüsselung der Bestellnummer…………………………… - 71 -

Tab. 6-1: Die Belastung der Lineartische……………………………………… - 95 -

Tab. 6-2: Die Absenkungen der Detektoren durch die Winkelverstellung….. - 97 -

Tab. 6-3: Die berechnete Verformungen der Verbindungselemente……….. - 99 -

Tab. 6-4: Die berechnete Sicherheit des Verbindungselementes gegen

Fließen………………………………………………………………….. - 100 -

Tab. 6-5: Die berechnete Gesamtabsenkung der Detektoren………………. - 100 -

Tab. 6-6: Die Sicherheit der Abschirmung…………………………………….. - 101 -

Tab. 6-7: Die Sicherheit des Tragegestelles………………………………….. - 102 -

Tab. 6-8: Die dynamische Beanspruchung bei empfohlener

Beschleunigung - 103 -

Tab. 6-9: Die dynamischen Beanspruchung bei maximaler Beschleunigung - 104 -

Tab. 6-10: Die Überprüfung der Längenänderung……………………………... - 105 -

Tab. 7-1: Die Montageanleitung für die Nachweisende Funktionsgruppe…. - 116 -

Kapitel III: verwendeten Gleichungen und Symbole ______________________________________________________________________

XIV

III. verwendete Gleichungen und Symbole

Gl. 3-1 2

4

4200

2

*)*(

1***6*

RE

cmcePs επ

= .......................................................... - 30 -

Gl. 3-2 13

4

2

2

,

, 10*13.1**

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

cmcm

SS

e

p

ps

es …………………………………………. - 30 -

Gl. 3-3 c

cc

ωπλ **2

= ……………………………………………………………… - 31 -

Gl. 3-4 R

cc *2

**3 3γω = ……………………………………………………………. - 31 -

Gl. 3-5 20 *cmE

=γ ………………………………………………………………... - 32 -

Gl. 3-6 γ1

≈Θ ………………………………………………………………… - 33 -

Gl. 6-1 tva = ……………………………………………………………………….. - 94 -

Gl. 6-2 2* 2tas = …………………………………………………………………... - 94 -

Gl. 6-3 gungskraftBeschleunigtemasseBeschleunia =max ……………………………………………. - 94 -

Gl. 6-4 max

max

av

t = …………………………………………………………………….. - 94 -

Gl. 6-5 BelastunggrenzeBelastungsSicherheitvorhanden = …………………………………… - 95 -

Gl. 6-6 amF *= ……………………………………………………………………. - 95 -

Gl. 6-7 HebelarmAbsenkung *)tan(α= …………………………………………. - 97 -


XV

Gl. 6-8 IE

lFym **3* 3

= …………………………………………………………… - 99 -

Gl. 6-9 dll ε*0=Δ ………………………………………………………………. - 99 -

Gl. 6-10 AE

Fdd *=ε ………………………………………………………………. - 99 -

Gl. 6-11 vorhanden

ungsgrenzeBeanspruchvorhandenSicherheit

σσ

= …………………………………... - 100 -

Gl. 6-12 smomentWiderständ

tBiegemomenvorhanden =σ ………………………………………. - 100 -

Gl. 6-13 vorhanden


σσ

= …………………………………... - 101 -

Gl. 6-14 smomentWiderständ

tBiegemomenvorhanden =σ ………………………………………. - 101 -

Gl. 6-15 k

krit lIEF

*4**2π

= ……………………………………………………….. - 102 -

Gl. 6-16 Masse

kritvorhanden F

FSicherheit = ……………………………………………... - 102 -

Gl. 6-17 Tll Δ=Δ **0 α …………………………………………………………. - 105 -


XVI

Symbol Erklärung Einheit a Beschleunigung mm / s² A Fläche mm² c Lichtgeschwindigkeit im Vakuum m / s² E E-Modul N / mm² e Elementarladung C E Strahlenergie des Beschleunigers eV F Kraft N I Flachenträgheitsmoment mm4 l Länge mm l0 Ausgangslänge mm lk Knicklänge mm m Masse kg m0 Ruhemasse einer Elementarladung kg me Ruhemasse eines Elektron kg mp Ruhemasse eines Proton kg Ps Strahlungsleistung W R Krümmungsradius des Beschleunigers m s Weg S Sicherheit 1 / 1 Ss,e Strahlung eines Elektron --- Ss,p Strahlung eines Proton --- t Zeit s v Geschwindigkeit mm / s W Widerstandsmoment mm³ ym Absenkung mm α Winkel rad α Längen - Ausdehnungskoeffizient 1 / K γ Lorentzfaktor 1 / 1 Δl Längenänderung mm ΔT Temperaturdifferenz K ε0 Dielektrizitätskonstante Vs / Am εd Stauchung 1 / 1 Θ Abstrahlungswinkel rad λc Kritische Wellenlänge M σ Spannung N / mm² ωc Kritische Frequenz 1 / s

Kapitel IV: Die verwendeten Abkürzungen ___________________________________________________________________

XVII

IV. verwendete Abkürzungen

Abkürzung Erklärung

BKR Beschleuniger Kontrollraum

BNC Bayonet Neill Concelman

CAD Computer Aided Design

CAM Computer Aided Manufacturing

CAN BUS Controller Area Network Binary Unit System

CIM Computer Integrated Manufacturing

CSMA Carrier Sense Multiple Access

DESY Deutsches Elektronen – Synchrotron

EDI Electronic Data Interchange

HERA Hadron – Elektron – Ring – Anlage

HF Hochfrequenz (zwischen 10 kHz und 1 MHz)

MDI Maschine Diagnose und Instrumentierung

OEM Original Equipment Manufacturer

Tf Teilfunktion

Uf Unterfunktion

XVIII

Kapitel 1: Die Einführung ______________________________________________________________________

- 19 -

1. Die Einführung

Für das Forschungsinstitut DESY (Deutsche Elektronen Synchrotron) soll im Rahmen

dieser Diplomarbeit ein Proton – Emittanz – Monitor für den Hochenergie –

Beschleuniger HERA (Hadron – Elektron – Ring – Anlage) ausgelegt und konstruiert

werden.

Das Forschungsinstitut DESY ist in der Helmholtz-Gemeinschaft1 integriert und eines

der weltweit führenden Zentren für die Forschung an Teilchenbeschleunigern. Es wurde

am 18. Dezember 1959 in Hamburg gegründet. Das Institut ist ein mit öffentlichen

Mitteln finanziertes nationales Forschungszentrum mit zwei Standorten, in Hamburg und

in Zeuthen (Brandenburg). Der Etat für die Forschungseinrichtung wird vom Bund und

von dem jeweiligen Bundesland finanziert [1]. Am DESY werden naturwissenschaftliche

Grundlagenforschungen mit den folgenden Schwerpunkten betrieben:

• Untersuchung fundamentaler Eigenschaften der Materie in der Teilchenphysik

mit dem Teilchenbeschleuniger HERA

• Nutzung der Synchrotronstrahlung in der Oberflächenphysik,

Materialwissenschaften, Chemie, Molekularbiologie, Biophysik und Medizin im

Hamburger Synchrotronstrahlungslabor sowie

• Entwicklung, Bau und Betrieb der entsprechenden Beschleuniger – Anlagen [2]

Die Gruppe MDI ist eine Abteilung des DESY-Beschleunigerbereiches. MDI steht für

Maschine Diagnose Instrumentierung. Zu den Aufgaben der Gruppe gehören die

Entwicklung und der Betrieb sowie die Instandhaltung und die Wartung spezieller

Messgeräte für die Diagnose der Elektronen- und Protonen-Strahlen [3]. Von dieser

Gruppe wird die Auslegung und Konstruktion des Proton – Emittanz – Monitors betreut.

1 Die Helmholtz Gemeinschaft ist Deutschlands größte Wissenschaftsorganisation, siehe auch im Internet unter http://www.helmholtz.de/

Kapitel 1: Die Einführung ______________________________________________________________________

- 20 -

1.1. Der Teilchenbeschleuniger HERA

Die Hadron – Elektron – Ring – Anlage (HERA, Abb. 1-1) ist der größte Teilchen-

beschleuniger beim DESY in Hamburg. Die Anlage ist seit 1992 im Forschungsbetrieb.

HERA ist der erste und einzige Speicherring, bei dem die beiden unterschiedlichen

Arten von Materieteilchen miteinander kollidieren: Protonen und Elektronen. Er ist ein

„Super-Elektronenmikroskop“ zur Erforschung der innersten Strukturen der Materie und

der Naturkräfte. HERA besteht aus zwei ringförmigen, jeweils 6,3 Kilometer langen

Beschleunigern in einem unterirdischen Tunnel. Der eine beschleunigt Elektronen

(HERAe) auf eine Energie von 27,5 Giga-Elektronenvolt, der andere Protonen (HERAp)

auf eine Energie von 920 Giga-Elektronenvolt. Das bedeutet, dass die Teilchen auf

nahezu Lichtgeschwindigkeit (ca. 99.99%) beschleunigt werden. Stundenlang kreisen

Elektronen und Protonen in entgegen gesetzter Richtung im Ultrahochvakuum2 der

beiden Ringe [4].

Die Teilchenbeschleuniger

Abb. 1-1: Die Beschleuniger beim DESY

2 Vakuum mit einem Absolutdruck < 10-7 mbar

Kapitel 2: Die Aufgabenstellung ______________________________________________________________________

- 21 -

2. Die Aufgabenstellung

In dem Teilchenbeschleuniger HERA werden in zwei Wechselwirkungszonen

Experimente zur Elementarteilchenphysik durchgeführt. Bei diesen Experimenten

werden in den zwei Wechselwirkungszonen beide Teilchenstrahlen zur Kollision

gebracht. Um in diesen Wechselwirkungszonen effizient forschen zu können, ist es

hinsichtlich der Forschungsergebnisse besonders wichtig, das transversale Profil des

Teilchenstrahls dort zu kennen. Die transversalen Ausdehnungen der Teilchenstrahlen

sollten beim Eintritt in die Wechselwirkungszonen möglichst identisch sein. Weil eine

Messung dieser Größen in der Wechselwirkungszone sehr aufwendig ist und Einfluss

auf das transversale Profil der Teilchenstrahlen nehmen könnte, bedient man sich der

Tatsache, dass die Emittanz in dem Teilchenbeschleuniger an jedem Ort konstant ist.

Durch das an einem Punkt bekannte transversale Profil des Teilchenstrahls und die

ebenfalls an diesem Ort bekannten Magnetfelder der Strahlführungsmagnete, kann an

dieser Stelle des Teilchenbeschleunigers die Emittanz berechnet werden. Wegen der

Konstanz der Emittanz kann mittels der bekannten Magnetfelder der anderen

Strahlführungsmagnete das transversale Profil des Teilchenstrahls an jedem beliebigen

Punkt in dem Teilchenbeschleuniger berechnet werden. Dieses Vorgehen ist sehr

effizient, denn mit der Messung des Profils an einem Punkt kann die Profilverteilung im

gesamten Teilchenbeschleuniger berechnet werden und ist somit bekannt.

Zur Kontrolle der transversalen Strahldimension von den Teilchenstrahlen werden

Diagnosegeräte unterschiedlicher Verfahren eingesetzt. Der neu zu konstruierende

Proton – Emittanz – Monitor wird in dem Teilchenbeschleuniger HERA dazu verwendet,

eine transversale Profilmessung des Protonenstrahls durchzuführen. Bei diesem Monitor

wird die Synchrotronstrahlung als Diagnosemedium genutzt. Durch das Ergebnis der

Messung kann das transversale Profil in den Wechselwirkungszonen optimiert werden.

Dadurch wird ein effizienteres Forschen an den Experimenten ermöglicht.


- 22 -

2.1. Der bestehende Proton – Emittanz – Monitor

Der bestehende Proton – Emittanz – Monitor (Abb. 2-1) beinhaltet verschiedene

Funktionsgruppen: die Funktionsgruppe der Synchrotronstrahlungserzeugung, die

Optische Funktionsgruppe und die Nachweisende Funktionsgruppe.

Der existierende Proton – Emittanz - Monitor

Abb. 2-1: Die schematische Darstellung zeigt den existierenden Proton – Emittanz –

Monitor

In der ersten Funktionsgruppe wird die Synchrotronstrahlung durch die Strahlablenkung

mittels eines Dipolmagneten erzeugt. Die Teilchenstrahlen, die das Synchrotronlicht

emittieren, werden in einem Ultrahochvakuumsystem beschleunigt. Deshalb muss die

Synchrotronstrahlung aus dem Vakuumsystem ausgekoppelt werden. Diese Aufgabe

übernimmt die Optische Funktionsgruppe des Monitors. Dazu werden verschiedene

optische Elemente zur Umlenkung und ein Vakuumflansch mit Flanschfenster zur

Auskopplung der Synchrotronstrahlung aus dem Ultrahochvakuumsystem eingesetzt.


- 23 -

Die Optische Funktionsgruppe führt die Synchrotronstrahlung dem Detektor zu. Der

Detektor und die verschiedenen Filter gehören zu der Nachweisenden Funktionsgruppe.

Hier wird eine ortsfeste CCD – Kamera als Detektor eingesetzt. Die Kamera ist das

nachweisende Element des Monitors. Da die Synchrotronstrahlung senkrecht auf den

Detektor trifft, wird von diesem das transversale Profil der Synchrotronstrahlung

aufgezeichnet. Das Signal des Detektors wird online in den Beschleuniger

Kontrollraum (BKR) übertragen und dort ausgewertet. Wie in dem Bild (Abb. 2-2) zu

erkennen ist, wird das transversale Profil eingespielt. Dieses ist das Abbild der Kamera.

Neben dem Abbild sind die ausgewerteten Pixelinformationen als Verteilungsfunktion

der Strahlintensität dargestellt. In dem Kontrollraum wird das Verhalten des

Teilchenstrahls beobachtet. Bei Bedarf können die Magnetfelder der

Strahlführungsmagnete und Strahlfokussierungsmagnete beeinflusst werden, um das

transversale Profil der Teilchenstrahlen vor den Wechselwirkungszonen aufeinander

abzustimmen. Durch die online Datenübertragung wird ein zeitnahes Reagieren

ermöglicht.

Das Abbild und die Intensitätsverteilung der Synchrotronstrahlung

Abb. 2-2: Das ausgewertete Signal des existierenden Proton – Emittanz – Monitors

Durch die Neukonstruktion des Proton – Emittanz – Monitors soll die Flexibilität und die Abbildungsqualität des Detektors erhöht werden. Sowie die Kosten die durch Justagearbeiten an dem Detektor und dem Filter entstehen gesenkt werden.


- 24 -

2.2. Die Neukonstruktion

Die vorzunehmende Neukonstruktion des Proton – Emittanz – Monitors bezieht sich

hauptsächlich auf die Nachweisende Funktionsgruppe. Die neu konstruierte

Funktionsgruppe des Proton – Emittanz – Monitors soll kompatibel zu den im Urzustand

verbleibenden Funktionsgruppen sein.

Bei der Auslegung und der Konstruktion der Nachweisenden Funktionsgruppe müssen

spezielle Rahmenbedingungen und Anforderungen hinsichtlich des Strahlenschutzes

erfüllt werden. Diese werden in den folgenden Kapiteln genauer beschrieben.

Im wesentlichen soll der Funktionsumfang der Nachweisenden Funktionsgruppe erhöht

werden. Die bisher eingesetzte Kamera soll altersbedingt durch eine entsprechende

Kamera ersetzt werden. Außerdem soll ein zusätzlicher Detektor zur Verfügung gestellt

werden. Dabei handelt es sich um einen Photomultiplier. Zum Schutz der Detektoren

und zur Erhöhung der Abbildungsqualität sind verschiedene optische Filter vorzusehen.

Mittels einer Positionierungseinheit soll eine Steigerung der Abbildungsqualität erreicht

werden. Diese hat die Aufgabe die Detektoren in drei verschiedenen Achsen zu

verstellen. Dies ist insbesondere notwendig, weil sich die Emissionsstrecke der

Synchrotronstrahlung und somit der Fokuspunkt und damit die Bildgröße verändert. Um

immer die optimale Bildweite einhalten zu können, müssen die Detektoren in Richtung

der Strahlachse verstellbar gelagert werden.

Die Nachweisende Funktionsgruppe des Proton – Emittanz – Monitors, welche neu zu

konstruieren ist, dient der Strahlprofilkontrolle. Hierfür sind zwei Detektoren nötig, die

das transversale Profil und die Intensität des Strahls betrachten. Als erstes wird ein

Photomultiplier dazu verwendet die Lichtstärke zu messen. Dadurch wird untersucht in

welchem Bereich der Strahl der Synchrotronstrahlung einfällt. In diesen Bereich soll die

Kamera gefahren werden. Mittels der Kamera wird die optimale Abbildweite angefahren.

Die eingesetzte Kamera soll ein Bild vom Synchrotronstrahlfleck aufnehmen. Die Daten

des Kamerabildes werden online ausgewertet und lassen eine zeitnahe Beurteilung der

Teilchenstrahlaufweitung zu. Dazu wird die Häufung und die Intensität der einzelnen


- 25 -

Bildpunkte der Kamera ausgewertet und in eine Normalverteilung umgerechnet. Hieraus

lässt sich die Profilqualität und somit die Aufweitung des Strahls beurteilen.

Die Detektoren sollen nur die einfallende Synchrotronstrahlung betrachten. Deshalb darf

in den Monitor kein Fremdlicht einfallen. Dies ist besonders wichtig, da die Detektoren

sonst falsche Signale erhalten und die daraus resultierenden Ergebnisse keinen

Rückschluss auf die Strahl – Emittanz3 zulassen würden. Aus diesem Grund ist der

Monitor lichtdicht zu konstruieren.

Die im Rahmen dieser Diplomarbeit durchzuführenden Aufgaben beinhalten:

• Auslegung und Konstruktion der Nachweisenden Funktionsgruppe des

Protonen – Emittanz – Monitors unter Berücksichtigung der Schnittstellen

zu anderen Funktionsgruppen und der Prämisse der online und zeitnahen

Auswertungsmöglichkeit

• Auslegung und Konstruktion bezüglich der fernsteuerbaren

Positionierungseinheit

• Auslegung und Konstruktion einer Filterhöhenverstellung und eines

Filterwechselmechanismus

• Auslegung und Konstruktion der Detektoraufnahme, des

Detektorwechsels und der Detektorenfixierung

• Auslegung und Konstruktion der Abschirmung gegen äußere Einflüsse

wie z.B. Fremdlicht, Verunreinigung, Beschädigung und

Untergrundstrahlung

• Auslegung und Konstruktion eines Tragegestelles für die Nachweisende

Funktionsgruppe.

• Betreuung des Projektes bis zur Fertigungsfreigabe und die Erstellung

der für die Fertigung benötigen Unterlagen

• Erstellung der Montageanleitung und der Betriebsanweisung

3 Die Emittanz beschreibt als Gütekriterium die Auffächerung und den Querschnitt eines Teilchenstrahls. Je weniger der Strahl aufgefächert ist desto geringer ist die Emittanz

Kapitel 3: Die allgemeinen Grundlagen der Strahlung ______________________________________________________________________

- 26 -

3. Die allgemeinen Grundlagen der Strahlung

In diesem Kapitel werden die allgemeinen Grundlagen der verschiedenen

Strahlungsarten, die im Teilchenbeschleuniger vorkommen, beschrieben. Dazu gehören

die Synchrotronstrahlung und die verschiedenen Untergrundstrahlungsarten. Im

weiteren Verlauf wird auf die möglichen Schädigungen durch die Untergrundstrahlungen

sowie auf die geeigneten Schutzmaßnahmen eingegangen.

3.1. Die verschiedenen Strahlungsarten

In dem Teilchenbeschleuniger HERA kommen verschiedene Arten von Strahlungen vor.

Diese lassen sich aus Sicht der Strahldiagnose grundsätzlich in Nutzstrahlung und

Untergrundstrahlung unterteilen.

In die Gruppe der Nutzstrahlung fällt die zur transversalen Profilmessung eingesetzte

Synchrotronstrahlung mit einer Wellenlänge des sichtbaren Spektrums der

Synchrotronstrahlung in dem Bereich von 370 nm bis 780 nm.

Der Gruppe der Untergrundstrahlung werden verschiedene Strahlungen, wie z.B.

Neutronenstrahlung und Gammastrahlung und außerdem der hochenergetische Bereich

der Synchrotronstrahlung, zugeordnet. Die Neutronen- und Gammastrahlung entsteht

meistens unbeabsichtigt durch technische Störungen im geregelten Betriebsablauf der

Beschleuniger. Die Synchrotronstrahlung entsteht generell durch die zielgerichtete

Nutzung der Beschleuniger.

Die Gruppe der Untergrundstrahlung und die dadurch vorhandenen Gefahrenquellen für

die installierte Technologie im Beschleunigertunnel werden später betrachtet. Im

folgenden Kapitel werden die Eigenschaften, die Entstehung und die Gründe für den

Einsatz der Synchrotronstrahlung erläutert.


- 27 -

3.1.1. Die Synchrotronstrahlung

„Auf Grund sehr fundamentaler Regeln der klassischen Elektrodynamik strahlt jede

beschleunigte Ladung Energie in Form von elektromagnetischen Wellen ab“ [5]. „Als

Synchrotronstrahlung bezeichnet man die elektromagnetischen Wellen, die in

Vorwärtsrichtung austreten, wenn geladene, relativistische4 Teilchen durch ein

Magnetfeld tangential zu ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt werden“ [6] (Abb. 3-1). Ein

Elementarteilchen wird relativistisch, wenn es bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit

beschleunigt wird. Dadurch verändert sich die Ausrichtung des Strahlungsfeldes. In

Ruhelage breitet sich das Strahlungsfeld gleichmäßig um das Elementarteilchen aus.

Wird das Elementarteilchen beschleunigt, verlagert sich das Strahlungsfeld in die

Richtung der Beschleunigung (Abb. 3-2).

Das Strahlungsfeld eines geladenen Teilchens

Abb. 3-1: Das abstrahlende Strahlungsfeld bei tangentialer Beschleunigung nicht relativistischer

(a) und relativistischer (b) Teilchen am Beispiel des Elektron

4 Die relativistische Physik beschäftigt sich mit sich mit physikalischen Effekten und Gesetzen bei hohen Geschwindigkeiten, nahe an der Lichtgeschwindigkeit. Bei hohen Geschwindigkeiten ab ca. 90% der Lichtgeschwindigkeit ergeben sich vollkommen andere Verhältnisse als in der klassischen newtonschen Physik.


- 28 -

Der Schnitt durch das geschwindigkeitsabhängige Strahlungsfeld

Abb. 3-2: Das Verhalten des Strahlungsfeldes bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten

Die von den beschleunigten Teilchen emittierte Synchrotronstrahlung weist

Eigenschaften auf, die sie als ein hervorragendes Diagnosewerkzeug auszeichnen.

Dazu gehören unter anderem:

• die scharfe Bündelung und Polarisation

• die hohe Intensität

• der große Wellenlängenbereich, aus dem ein Spektrum wählbar ist

• der durch die Umlauffrequenz des Beschleunigers bestimmte, sehr kurze

Pulse

• das nicht invasive Verfahren bezüglich des Teilchenstrahls

• das sie bedingt durch die konstruktive Ausführung der

Teilchenbeschleuniger auftritt

Bei dem Proton – Emittanz – Monitor ist vor allem die scharfe Bündelung der

Synchrotronstrahlung von großer Bedeutung. Durch diese Eigenschaft der emittierten

Synchrotronstrahlung können direkt Rückschlüsse auf das transversale Profil des

Teilchenstrahls gezogen werden.


- 29 -

Außerdem ist es von großem Interesse, dass der Wellenlängenbereich der emittierten

Synchrotronstrahlung durch die Betrachtungsdauer bestimmt wird. Weiterhin ist durch

das breite Spektrum, das vom infraroten über den sichtbaren Bereich bis zur harten

Röntgenstrahlung reicht (Abb. 3-3), eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten neben

der Strahldiagnose gegeben.

Die Anwendungsgebiete der Synchrotronstrahlung

Abb. 3-3: Das Energiespektrum der Synchrotronstrahlung und die verschiedenen

Anwendungsgebiete

Für den Einsatz des Proton – Emittanz – Monitor soll ein Wellenbereich aus dem

sichtbaren Spektrum gewählt werden. Das hat einen immensen Vorteil, denn dadurch

können herkömmliche Detektoren eingesetzt werden, und die Nutzstrahlung hat kaum

schädigenden Einfluss auf die verwendeten Bauteile und Komponenten. Allerdings

ergeben sich hier einige Schwierigkeiten, die dadurch hervorgerufen werden, dass der


- 30 -

Protonenstrahl als Synchrotronstrahlquelle genutzt wird. Das hängt mit den

Eigenschaften der Protonen zusammen, die im Gegensatz zu Elektronen erst bei einer

wesentlich höheren Energie Synchrotronstrahlung emittieren. Der Grund dafür liegt in

ihrer um ein Vielfaches höheren Ruhemasse, die einen erheblichen Einfluss auf das

Emissionsverhalten der Teilchen hat. Um diese Zusammenhänge zu verdeutlichen,

werden hier einige Gleichungen der Strahlungsphysik betrachtet. Zu Begin wird der

Unterschied zwischen den Teilchensorten mittels ihrer emittierten Leistung betrachtet.

Die abgestrahlte Leistung der Teilchen berechnet sich aus der Gleichung 3-1.

2

4

4200

2

*)*(

1***6*

RE

cmcePs επ

= (Gl. 3-1)

Ps = Strahlungsleistung

E = Elementarladung

c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

m0 = Ruhemasse

ε0 = Dielektrizitätskonstante

E = Strahlenergie des Beschleunigers

R = Krümmungsradius des Beschleunigers

Wenn man nun die abgestrahlte Leistung der beiden Teilchenarten, Elektronen und

Protonen, miteinander vergleichen will, werden in die Gleichung 3-1 jeweils die Werte für

ein Proton und ein Elektron einsetzt. Geht man von gleicher Beschleunigungsenergie

und gleichem Radius der Beschleunigerstrecke aus, ergibt sich das Verhältnis der

abgestrahlten Leistung zu der folgenden Gleichung 3-2.

13

4

2

2

,

, 10*13.1**

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

cmcm

SS

e

p

ps

es (Gl. 3-2)

kinetische Energie des Proton: 227.938²*c

MeVcm p =

kinetische Energie des Elektron: 2511.0²*c

MeVcm e =


- 31 -

Wie man aus dem Ergebnis unschwer erkennen kann, ist die benötigte Energie bei

einem Proton um ein Vielfaches höher als bei einem Elektron. Dieser Sachverhalt

beinhaltet mehr Probleme als dem Betrachter im ersten Moment bewusst werden. Denn

nicht nur die abgestrahlte Leistung ist wesentlich von der Ruhemasse des Teilchens

abhängig, sondern auch das emittierte Wellenspektrum. Deshalb soll hier die

„charakteristische Wellenlänge (λc)“ des Protonstrahls berechnet werden. Die

„charakteristische Wellenlänge“ beschreibt das emittierte Spektrum der

Synchrotronstrahlung, das in dem Teilchenbeschleuniger HERA erreicht wird.

Die Gleichung dafür lautet:

cc

cωπλ **2

= (Gl. 3-3)

cλ = charakteristische Wellenlänge cω = kritische Frequenz c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum wobei sich ωc, die kritische Frequenz, durch folgende Gleichung

Rc

c *2**3 3γω = (Gl. 3-4)

cω = kritische Frequenz c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

γ = Lorentzfaktor R = Krümmungsradius des Beschleunigers berechnen lässt. Zur Berechnung der kritischen Frequenz benötigt man den

Lorentzfaktor, der sich wiederum aus der Gleichung 3-5 berechnen lässt.


- 32 -

20 *cmE

=γ (Gl. 3-5)

γ = Lorentzfaktor

E = Strahlenergie des Beschleunigers

c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

m0 = Ruhemasse

Setzt man nun die angegebenen Werte ein, so kommt man zu dem folgenden Ergebnis:

E = Strahlenergie Einheit in eV5 (HERA Proton Ring; Ep = 920 GeV)

mp*c² = 0.93827 GeV

R = Krümmungsradius des Beschleunigers (HERA Proton – Ring;

R = 1002.68 m)

1152289.980=γ

sc110*2279.4 14=ω

mc μλ 45.4=

Wie man an diesem Ergebnis sieht, wird durch die beschleunigten Protonen eine Wellenlänge emittiert, die über der des sichtbaren Bereichs6 in dem Infraroten liegt. Aus diesem Grund muss ein Kunstgriff, der in dem weiteren Verlauf erläutert wird, zur Erzeugung einer Wellenlänge aus dem sichtbaren Spektrum angewendet werden. Das emittierte Wellenspektrum der Synchrotronstrahlung ist durch die Zeitdauer der Beobachtung an einem festen Beobachtungspunkt bestimmt. Ist die Zeitdauer der Beobachtung kurz, so ist die emittierte Wellenlänge klein. Die berechnete charakteristische Wellenlänge ist zu klein, aus diesem Grund muss die Zeitdauer der Beobachtung herabgesenkt werden. Die angewendete Theorie geht von der Entstehung der Synchrotronstrahlung im Zentrum des Magneten aus. Die Betrachtungsdauer der in dem Zentrum des Dipolmagneten emittierten Synchrotronstrahlung ist zu lang. Aus

5 1 eV entspricht 1,602 * 10-19 J 6 sichtbarer Bereich 370nm bis 780nm


- 33 -

diesem Grund wird die im Randfeld des Magneten emittierte Synchrotronstrahlung betrachtet. Dadurch wird die Beobachtungsdauer kürzer und somit die emittierte Wellenlänge der Synchrotronstrahlung ebenfalls. Hierin liegt auch die Begründung für die Notwendigkeit der verfahrbaren Detektoren. Der Emissionsort der Synchrotronstrahlung ist nicht genau bekannt, daher müssen die Detektoren verfahren werden können, um somit die optimale Abbildweite zu erreichen. Nachdem die Grundlagen der Entstehung der Synchrotronstrahlung nun näher erläutert sind, soll an dieser Stelle genauer auf die scharfe Bündelung eingegangen werden. Die Winkelaufweitung der Strahlung soll an dieser Stelle berechnet werden. Diese berechnet sich nach der folgenden Gleichung:

γ1

≈Θ (Gl. 3-6)

γ = Lorentzfaktor

Θ = Abstrahlungswinkel

rad310*079864.1 −=Θ Diese geringe Strahlaufweitung von 1.079864 * 10-3 rad kann als fast parallel betrachtet werden. Aus den Betrachtungen wird deutlich, dass die Synchrotronstrahlung für die Diagnosezwecke ein sehr gut geeignetes Medium ist. Das Abbild des Protonenstrahls, das von der Synchrotronstrahlung übertragen wird, entspricht fast genau dem Spiegelbild des Teilchenstrahls selbst. Hinzu kommt, dass dieses angewendete Messverfahren keinen Einfluss auf den Protonenstrahl hat. Weiterhin ist der Proton – Emittanz – Monitor an einem Ort positioniert, an dem bereits eine Strahlumlenkung stattfindet. Dadurch entsteht die Synchrotronstrahlung unabhängig von ihrem Nutzen für die Diagnostik, und es entsteht durch den Betrieb des Monitors kein zusätzlicher Aufwand für die Strahlführung. Die abgegebene Energie wird dem Teilchenstrahl durch die entsprechenden Beschleunigerstrukturen wieder zugeführt.


- 34 -

3.1.2. Die Untergrundstrahlung

Die vorkommende Untergrundstrahlung in dem Beschleuniger HERA beinhaltet

verschiedene Arten von Strahlungen. Eine der vorkommenden Strahlungen ist im

vorangegangenen Kapitel ausführlich erläutert worden, die Synchrotronstrahlung. Diese

Strahlung wird in dem Fall des Proton – Emittanz – Monitors als Nutzstrahlung

verwendet. Da sie bei jeder Strahlumlenkung entsteht und ein sehr breites Spektrum

besitzt, das bis in die harte Röntgenstrahlung reicht, wird auch die Synchrotronstrahlung

zum Teil als Untergrundstrahlung betrachtet. Dieses Problem tritt, wie im Kapitel über

die Synchrotronstrahlung beschrieben, vorwiegend bei der Beschleunigung der

Elektronen auf. Da sich die Strahlführungswege für beide Teilchenarten in einem Tunnel

befinden, muss dieses Problem auch bei dieser Konstruktion berücksichtigt werden.

Eine weitere Gruppe der Untergrundstrahlung ist die Neutronenstrahlung, die in den

Beschleunigern entstehen kann. Dies geschieht, wenn der Teilchenstrahl, ausgelöst

durch Störungen im technischen Betrieb, seinen vorgegebenen Orbit verlässt und mit

der Wand des Strahlrohrs kollidiert. Bei dieser Sekundärreaktion entsteht

Neutronenstrahlung und γ-Strahlung. Durch diese Strahlungen können an den

installierten Diagnoseinstrumenten und anderen Komponenten erhebliche Schäden

entstehen.

3.1.2.1. Die Schäden durch die Untergrundstrahlung

Dieses Kapitel gibt einen Ausblick über einen Teil der möglichen Beschädigungen der

Komponenten, die sich im HERA – Tunnel befinden. In der Abbildung 3-4 sind drei

Beispiele aufgeführt, die für die Neukonstruktion des Proton – Emittanz – Monitors

relevant sind. Dabei handelt es sich um Bauteile aus den Materialien Glas, Metall und

Kunststoff. Diese Materialien werden in optischen Elementen, Bauteilen und elektrischen

Komponenten eingesetzt.


- 35 -

Schäden durch Untergrundstrahlung

Abb. 3-4: Die Darstellung möglicher Schäden durch die vorkommenden

Untergrundstrahlungen im Beschleunigertunnel

3.1.2.2. Der Schutz vor der Untergrundstrahlung

Wie im vorherigen Kapitel aufgezeigt wurde, können durch die Untergrundstrahlung

erhebliche Schäden an den Geräten und Maschinen im Beschleuniger – Bereich

entstehen. Da die neu zu konstruierende Nachweisende Funktionsgruppe in

unmittelbarer Umgebung des Protonenstrahlrohrs und des Elektronenstrahlrohrs

positioniert wird, ist dafür Sorge zu tragen, dass für die verbauten Komponenten und

Bauteile das Schadensrisiko minimiert wird. Dies kann durch eine geeignete

Abschirmung realisiert werden.

Um die Abschirmung ausreichend zu dimensionieren, ist es von großem Interesse, die

realistischen Strahlenbelastungen in den Beschleunigern zu kennen. Dazu wurde beim


- 36 -

DESY von der Strahlenschutzgruppe D3 ein Bericht (Ausgabe D3-32) verfasst. Mit den

in diesem Bericht erfassten Werten wurde durch die MDI – Gruppe eine Empfehlung zur

Dimensionierung der Neutronenabschirmung erstellt. Diese Empfehlung gibt Grenzwerte

für elektrische Komponenten, wie z.B. Dioden, Transistoren und IC’s vor. Da diese

Komponenten in fast jedem elektrischen Gerät verbaut sind und dies die anfälligsten

Komponenten der Neukonstruktion des Proton – Emittanz – Monitors sind, werden diese

Werte als Richtlinie für die Abschirmung vorgegeben.

Als Grenzwerte der Neutronenfluenzen werden für Dioden, Transistoren und IC’s Φa =

1013 cm-2 angegeben. Laut Strahlenschutzbericht werden die Schäden hauptsächlich

von Neutronen mit einer Energie oberhalb 1 MeV verursacht. In einem Meter Abstand,

das ist ungefähr die Entfernung vom Strahlrohr zu der Nachweisenden Funktionsgruppe

des Proton – Emittanz – Monitors, beträgt die Neutronenfluenz, der Neutronen mit einer

Energie, die größer als 1 MeV ist, Φa (En>1MeV) = 4*1011 cm-2. Bei einer

Energieverteilung mit einem ausgeprägtem Maximum von 0.8 MeV [7].

Aus dem Bericht „Neutronen Abschirmung in HERA“ geht weiterhin hervor, dass die

Abschirmung in drei Stufen (Abb. 3-5) zu realisieren ist. Zunächst werden die schnellen

Neutronen bis auf eine thermische Energie von ca. Eth = 0.025 eV abgebremst. Dies

geschieht durch elastische Stöße mit leichten Atomkernen, wie zum Beispiel

Wasserstoffatomen. Im Anschluss sollen die abgebremsten Neutronen von einem

geeigneten Material absorbiert werden. Dafür eigenen sich am besten Materialien, die

einen hohen Bor – oder Cadmium – Anteil aufweisen. Während des Brems- und

Absorbtzionsprozeses entsteht als Sekundärstrahlung γ-Strahlung mit einer Energie von

ca. 480 keV. Gegen diese relativ schwache γ-Strahlung muss eine weitere

Abschirmungsschicht vorgesehen werden. Da die im Beschleuniger entstehende harte

γ-Strahlung wesentlich höhere Energien aufweist, wird die letzte Stufe der Abschirmung

an die Anforderungen der harten γ-Strahlung angepasst. Die im Beschleuniger

entstehende Neutronenstrahlung ist die gefährlichere Strahlung. Die Abschirmung

gegen die Neutronenstrahlung ist wesentlich aufwendiger als die gegen γ-Strahlung. Im

allgemeinem kann man die Strahlenbelastungen, denen die Bauteile und Komponenten

ausgesetzt sind, nur minimieren und nicht vollständig abschirmen.


- 37 -

Unten sind beispielhaft verschiedene Abschirmungsmaterialien gegen die γ-Strahlung in

Abbildung 3-6 aufgeführt [8].

Die Abschirmung gegen die Strahlung

Abb. 3-5: Das Prinzip einer dreistufigen Neutronenstrahlen – Abschirmung

Die verschiedenen Strahlungen

Abb. 3-6: Die Beispiele verschiedener Strahlungen und deren Reichweite durch

verschiedene Abschirmungen

Kapitel 4: Die Konzeptphase ______________________________________________________________________

- 38 -

4. Die Konzeptphase

Nachdem in der Informationsphase die Aufgabenstellung und die allgemeinen

Grundlagen der vorkommenden Strahlungsarten genauer erläutert sind, wird nun mit der

Konzeptphase der Produktentwicklung begonnen. Da der Bedarf und der Nutzwert der

neu zu konstruierenden Nachweisenden Funktionsgruppe des Proton – Emittanz –

Monitors bereits durch das DESY festgestellt wurde, kann die Konzeptphase bei dieser

Produktentwicklung sehr kurz gehalten werden.

In den folgenden Kapiteln wird ein Konzept für die Neukonstruktion der Nachweisenden

Funktionsgruppe erstellt. Das Konzept wird aus der Aufgabenstellung und der

Anforderungsliste, die im folgendem erstellt wird, erarbeitet. Im Anschluss wird der

methodische Teil der Konstruktion dargestellt. Zu Beginn der Konzeptphase werden die

geforderten Funktionen analysiert und die Wirkprinzipien betrachtet. Für die

Wirkprinzipien werden Lösungsansätze ermittelt, diese werden bewertet, und aus den

bewerteten Lösungsansätzen wird mittels des Morphologischen Kastens die optimale

Gesamtlösung bestimmt.

Der Auslegungsprozess und die Konstruktion werden in Anlehnung an die VDI –

Richtlinie 2221 (Abb. 4-1) durchgeführt. Da die Aufgabe in den vorherigen Kapiteln

bereits geklärt und präzisiert wurde, kann in dem folgenden Kapitel direkt mit der

Anforderungsliste begonnen werden.


- 39 -

Das iterative Vorgehen in der Konstruktion

Abb. 4-1: Das Vorgehen bei der Konstruktion neuer technischer Produkte in Anlehnung an

die VDI – Richtlinie 2221


- 40 -

4.1. Die Anforderungsliste

Die Anforderungsliste wurde in Zusammenarbeit mit den verantwortlichen Projektleitern

der Gruppe MDI ausgearbeitet. Dabei waren die Interessen der verschiedenen

Fachabteilungen vom DESY, aus dem physikalischen Bereich, der Fertigung, der

Konstruktion und der Organisation, zu berücksichtigen.

In der Anforderungsliste gibt es zwei unterschiedliche Qualitäten an

Bewertungsmöglichkeiten. Die Anforderungen können als eine Forderung eingestuft

werden oder als ein Wunsch. Die Wünsche sollen in die Konstruktion einfließen, wenn

der dadurch entstehende Nutzen, die dafür aufzuwendenden Herstellungskosten

rechtfertigt. Die formulierten Wünsche sind wiederum in vier verschiedene Stufen

unterteilt, diese stellen eine Abstufung des akzeptablen Gefälles zwischen dem Nutzen

und den erhöhten Herstellungskosten dar. Die gestellten Forderungen sind im

Gegensatz zu den Wünschen definierte Anforderungen, die unabdingbar in der

Konstruktion umgesetzt werden müssen [9].

F Forderung W4 sehr wichtiger Wunsch

Erstellt von:

Martin Borchard

W3 wichtiger Wunsch Am 15.08.2005 W2 Interessant Blatt 1 W1 wenn möglich von 7

Lfd. F/W Anforderungsliste Änderung Verantwortlich

----- ----- Geometrie Abmessungen

1 F äußere Abmessungen müssen kleiner als x = 700mm ; y = 700mm ; z = 1200mm sein

Anordnung

2 F Proton - Emittanz - Monitor muss achsparallel zum Protonen - Strahlrohr ausgerichtet sein


- 41 -


Erstellt von:

Martin Borchard



----- ----- Geometrie

Anschlüsse

3 F Strahlumlenkung und vorhandene elektrische Anschlüsse müssen wieder verwendet werden

Fremdlicht 4 F Es darf kein Fremdlicht in den Monitor eindringen Position

5 F Detektorverschiebung um z = 270mm und ortsfeste Fixierung an neuer Position muss gewährleistet sein

Geringe Erschütterungsempfindlichkeit

6 W2 Schwingungen im Bereich von 1kHz sollten abgedämpft werden

----- ----- Kinematik

Verfahrwege der Detektoren

7 F Verfahrwege in drei Richtungen (mindestens: x-Achse = 50mm ; y-Achse = 50mm ; z-Achse = 270mm) müssen umgesetzt werden

Genauigkeit

8 F maximaler Fehler der Positionierungs- und Wiederholungsgenauigkeit muss in allen Richtungen kleiner als 30μm sein

Detektorenwechsel

9 F Detektoren (2 Stück) müssen je nach Bedarf einsetzbar sein


- 42 -


Erstellt von:

Martin Borchard



----- ----- Kinematik Verstellwege der Filter

10 W4 Verstellung und Justierung der Filter sollte in Richtung der y-Achse um ± 25mm ermöglicht werden

Vibrationsarmes Bewegen der Detektoren

11 W3 schwingungsarmes Bewegen der Positionierungs-einheit

Geschwindigkeiten

12 W1 keine besonderen Anforderungen

Beschleunigungen 13 W1 keine besonderen Anforderungen

----- ----- Kräfte

Statische Belastungen: Bauteile

14 F maximale Verformung der Bauteile der Positionierungseinheit in y - Richtung ≤ 0.3mm bei Biegung und Zug/Druck

Statische Belastungen: Positionierungseinheit

15 F Gesamtabsenkung der Detektoren in y - Richtung ≤ 1mm

Statische Belastungen: Abschirmung

16 F unvorhersehbare, senkrechte Belastung von maximal 1.5 kN dürfen nicht zum Versagen führen

Dynamische Belastungen: Positionierungseinheit

17 F maximale Verformung der Positionierungseinheit durch dynamische Belastung ≤ 0.1mm


- 43 -


Erstellt von:

Martin Borchard

W3 Wichtiger Wunsch Am 15.08.2005 W2 Interessant Blatt 4 W1 wenn möglich von 7


----- ----- Energie Wärme

17 F Die Detektoren dürfen keiner Betriebstemperatur oberhalb von 50° C ausgesetzt sein

Strahlung

19 F Optimale Abschirmung der Detektoren gegen Untergrundstrahlung in HERA

Energieversorgung

18 W4 Betrieb des Monitors sollte mittels elektrischer Energie ermöglicht werden

---- ----- Stoff Synchrotron Strahlung

20 F Das transversale Profil der einfallenden Synchrotronstrahlung muss aufgezeichnet werden

Verbesserung des Abbilds

21 F Es müssen Neutraldicht- und Polarisationsfilter eingesetzt werden

----- ----- Signal

Input

22 F Steuerung der Position der Detektoren muss aus dem BKR erfolgen können

23 F Steuerung für die Auswahl der Filter muss aus dem BKR erfolgen können

24 F Steuerung für die Auswahl der Detektoren muss aus dem BKR erfolgen können

25 F Triggersignal zur Aktivierung des Photomultiplier muss aus dem Elektronik - Raum eingespeist werden können


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Erstellt von:

Martin Borchard

W3 Wichtiger Wunsch Am 15.08.2005 W2 Interessant Blatt 5 W1 wenn möglich von 7


----- ----- Signal Output

26 F Signal der Kamera muss online in den BKR übertragen werden

27 F Signal des Photomultiplier muss online in den BKR übertragen werden

Detektoren

28 F Einsatz eines vorhandenen Photomultiplier vom Typ: R2496 Tube (Hamamatsu)

29 F Einsatz einer vorhandenen Digitalkamera vom Typ: JAI M300 (Stemmer Imaging)

Motorsteuerung

30 W4 bevorzugter Einsatz von 2 - Phasen – Schritt-motoren

----- ----- Sicherheit

Sicherheitsvorschriften

31 F Konstruktion, Auslegung und Betrieb des Monitors muss nach den DESY Sicherheitsvorschriften gewährleistet werden

Berührungsschutz

32 F alle bewegten Teile sind gegen Berührung zu schützen

Stolpergefahr

33 F durch die bodennahe Position ist besonders die vorhandene Stolpergefahr zu verringern

Betriebsanleitung

34 F eine Betriebsanleitung ist anzufertigen


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Erstellt von:

Martin Borchard



----- ----- Ergonomie maximale Handkraft

35 F eine maximale Handkraft für Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten ≤ 15 kg ist nicht zu überschreiten

Zugänglichkeit der Bauteile

36 W3 alle Bauteile und Komponenten sollen ohne Ausbau eines anderen Bauteils oder einer anderen Komponente problemfrei zugänglich sein

----- ----- Fertigung

Konstruktion

37 W3 bevorzugte Verwendung von beim DESY standardisierten Normalien und Halbzeugen bei der Konstruktion

----- ----- Montage

Montageanleitung

38 F eine Montageanleitung ist zu erstellen und für das Wartungspersonal zugänglich zu hinterlegen

Montage im HERA - Tunnel

39 W4 durch die Konstruktion ist sicherzustellen, dass nur Standardwerkzeuge benötigt werden

----- ----- Transport

Transport zum HERA - Tunnel

40 W3 für den Transport sind die gängigen Transportmittel zu berücksichtigen


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Erstellt von:

Martin Borchard



----- ----- Transport Transport im HERA - Tunnel

41 W3 Transport im HERA - Tunnel mittels vorhandenem Hubwagen

----- ----- Instandhaltung

Wartungsintervalle

42 F es sind keine regelmäßigen Wartungsintervalle einzuplanen

Wartungsarbeiten

43 W4 alle Wartungsarbeiten müssen in kurzfristig und unregelmäßig auftretenden Intervallen ausführbar sein

Tab. 4-1: Die Anforderungsliste


- 47 -

4.2. Das Erstellen des Konzeptes

Das zu erstellende Konzept orientiert sich an der Anforderungsliste und der

Aufgabenstellung. Wegen des hohen Informationsgehaltes ist eine Skizze ein gut

geeignetes Instrument zur Verdeutlichung eines Konzeptes. Deshalb wird das Konzept

anhand einer Konzeptskizze (Abb. 4-2) dargestellt. Diese beinhaltet, da die meisten

Funktionsgruppen des Proton – Emittanz – Monitors in ihrem Urzustand verbleiben, die

wesentlichen Elemente der Nachweisenden Funktionsgruppe, sowie die Schnittstelle zu

den im Urzustand verbleibenden Funktionsgruppen. Diese Schnittstelle ist ein

Anschlussflansch mit Strahlzuführungsrohr, welches die Optische Funktionsgruppe mit

der Nachweisenden Funktionsgruppe lichtdicht verbindet. Die Konzeptskizze soll einen

Leitfaden für die Ermittlung der Wirkprinzipen und der Lösungsansätze während des

methodischen Konstruierens darstellen.

Die Konzeptskizze

Abb. 4-2: Die Konzeptskizze der Nachweisenden Funktionsgruppe des

Proton – Emittanz – Monitors


- 48 -

4.3. Das methodische Konstruieren

Nachdem das Konzept erstellt ist, wird die Funktionsstruktur des Proton – Emittanz –

Monitors untersucht. Das methodische Konstruieren wird als Vorgehensweise

angewendet, um die den Anforderungen entsprechende optimale Lösung für das zu

konzipierende Produkt zu entwickeln. Dieses angewendete iterative Vorgehen ist an die

in der Phase II, der VDI – Richtlinie 2221 (Abb. 4-1) beschriebenen Punkte angelehnt.

Dieses iterative Vorgehen eignet sich besonders für die Entwicklung und die

Konstruktion technischer Produkte mit der Betonung auf Maschinenbau und

Feinwerktechnik.

Zu Begin der ersten Phase des methodischen Konstruierens werden die in der

Anforderungsliste geforderten Funktionen genauer betrachtet. Dafür werden

verschiedene Diagramme und Darstellungsformen zur Funktionsanalyse angewendet.

Jede Darstellung beinhaltet eine höhere Auflösung der Aufgabenstellung, so dass man

sich über die Funktionsstruktur und die Lösungsansätze mit steigendem

Detaillierungsgrad der Festlegung der Variante annähert.

4.3.1. Die Funktionsstruktur

Als erster Schritt der Funktionsanalyse wird die Gesamtfunktion als Black Box

dargestellt. Die Eingangs- und Ausgangsgrößen, die zur Funktionserfüllung notwendig

sind, werden darin aufgezeigt. Das Black – Box – Schema vernachlässigt die innere

Struktur und befasst sich mit den abstrakten Eingangs- und Ausgangsgrößen. Im

weiteren Verlauf werden die inneren Strukturen und Funktionen weiter aufgelöst.

Dieses Vorgehen dient der systematischen Entwicklung von Lösungsansätzen und der

Variantenfindung für die Teilfunktionen und die Unterfunktionen. Bis schließlich mittels

der Bewertung und des Morphologischen Kastens die Variante festgelegt werden kann.


- 49 -

4.3.1.1. Die Black Box

Die Black Box (Abb. 4-3) ist die abstrakteste Form der Darstellung des Zielproduktes. Es

werden nur die an den Systemgrenzen auftretenden Eingänge und Ausgänge des

Energieflusses, des Stoffflusses und des Signalflusses betrachtet.

Diese Darstellungsform ist die Erste von mehreren, die dem Konstrukteur als Hilfsmittel

dafür dienen, die wesentlichen Teilfunktionen des zu entwickelnden Produktes

festzulegen. In dieser Darstellungsform wird die innere Struktur des Produktes noch

nicht berücksichtigt. Es werden nur die zur Gesamtfunktionserfüllung benötigten

Eingangs- und Ausgangsgrößen betrachtet.

Im folgenden Verlauf werden die inneren Funktionen des Produktes mit steigendem

Detaillierungsgrad beschrieben. Dadurch werden die Teilfunktionen und Unterfunktionen

der inneren Struktur verifiziert.

Die Black Box

Abb. 4-3: Die Darstellung der Black Box des Proton – Emittanz – Monitors


- 50 -

4.3.1.2. Die innere Funktionsstruktur

Nachdem in dem Black – Box – Schema die Gesamtfunktion, die drei Eingangs- und die

drei Ausgangsgrößen erläutert wurden, wird nun die innere Struktur des Proton –

Emittanz – Monitors genauer aufgelöst. Dazu wird der innere Verarbeitungsprozess der

Eingangs- und der Ausgangsgrößen betrachtet. Außerdem werden die aus den

Umgebungsbedingungen zu erwartenden Anforderungen mit in die Darstellung

aufgenommen. Dies betrifft die Untergrundstrahlung und die zu dämpfenden

Schwingungen.

In dieser Darstellung der inneren Funktionsstruktur (Abb. 4-4) werden die

Zusammenhänge der Eingangs- und der Ausgangsgrößen deutlich. Zusätzlich werden

hier die inneren Umwandlungsprozesse, die inneren Verknüpfungen des Energie-, Stoff-

und Signalflusses und die damit verbundenen Funktionen genauer beschrieben.

Aus dieser Darstellung und den Angaben der Anforderungsliste werden die

Teilfunktionen und die Unterfunktionen, die zur Erfüllung der Gesamtfunktion benötigt

werden, abgeleitet.


- 51 -

Die innere Funktionsstruktur

Abb. 4-4: Die Abbildung zeigt die innere Struktur des Proton – Emittanz – Monitors


- 52 -

4.3.1.3. Die Teilfunktionen

Die Teilfunktionen und die Unterfunktionen sind aus der inneren Struktur heraus

abgeleitet. Diese sind im Hinblick auf die zu realisierende Gesamtfunktion weiter zu

untersuchen. Dazu werden im folgenden Kapitel für die Teilfunktionen und die

Unterfunktionen Wirkprinzipien und Lösungsansätze erarbeitet, die im weiteren Verlauf

analysiert und bewertet werden.


- 53 -

Die Teilfunktionen und die Unterfunktionen

Abb. 4-5: In der Abbildung sind die Teilfunktionen und die Unterfunktionen aufgelistet


- 54 -

4.3.2. Die Wirkprinzipien und die Lösungsansätze

In diesem Kapitel werden die unterschiedlichen Wirkprinzipien und die Lösungsansätze

für die Teilfunktionen und die Unterfunktionen aufgezeigt. Die Lösungsansätze werden

im Anschluss einer Bewertung unterzogen. Später werden die bewerteten

Lösungsansätze in einem Morphologischen Kasten eingetragen und die verschiedenen

Kombinationen aller Teilfunktionen betrachtet. Aus dieser Betrachtung wird die optimale

Gesamtlösung für die geforderte Gesamtfunktion des Proton – Emittanz – Monitors

ermittelt.

Da einige Teilfunktionen gleiche oder ähnliche Aufgaben beschreiben, werden bei der

Findung der Wirkprinzipien und der Lösungsansätze diese Funktionen gemeinsam

betrachtet. Dies trifft auf die Teilfunktionen 1 und 4, die Positionierung der Detektoren

und der Filter, sowie für die Teilfunktionen 2 und 5, die Steuerung der Positionierung der

Detektoren und der Filter, zu.

Die Ermittlung der Wirkprinzipien wird angewendet, um verschiedene Lösungsansätze

zu betrachten und zu vergleichen. Die Betrachtung der Problemstellung als abstrakte

Beschreibung und Darstellung ist zielorientiert. Technische Produkte können auf die

unterschiedlichsten Weisen realisiert werden. Durch die abstrakte Betrachtung der

Problemstellung wird sichergestellt, dass kein Wirkprinzip und auch keine

Lösungsmöglichkeit ohne vorherige Analyse verworfen wird [10].

Auf die Variationsmöglichkeiten, die sich auf die Ausführung, die Anordnung oder die

Herstellungsprozesse beziehen, wird hier aus praktischen Gründen nicht weiter

eingegangen.


- 55 -

4.3.2.1. Die Auflistung der Wirkprinzipien und der Lösungsansätze Lösungsprinzipien für die Teilfunktion 1 und 4: die Positionierung der Detektoren und der

Filter

Abstraktion: Die Detektoren müssen eine Translation ausführen.

Lösungsmöglichkeiten für die Problemstellung:

Goniometer (Rotation)

Lineartisch (Translation)

Linearmotor Hebetisch Zylinder

Tab. 4-2: Die Unterfunktion 1 und 4, die Positionierung der Detektoren und der Filter

Lösungsprinzipien für die Teilfunktion 2 und 5: die Positionierungssteuerung der

Detektoren und der Filter Abstraktion: Die Antriebe benötigen ein Steuersignal, das in elektrische Spannung und Strom

oder Druckkraft umgewandelt wird.

Eingabe der Weginformation Ausgabe einer der Weginformation

entsprechenden Steuerenergie


Twin – Line Positionier -steuerung

Universelle Motorsteuerung

Schrittmotor -steuerung

Pneumatische Speicher -steuerung

Hydraulische Speicher -steuerung

Tab. 4-3: Die Unterfunktion 2 und 5, die Positionierungssteuerung der Detektoren und der Filter

angreifende Kraft, aus der die Beschleunigung resultiert

Detektorender aus der Beschleunigung resultierende Weg

Steuerung


- 56 -

Lösungsprinzipien für die Teilfunktion 3: der Detektorwechsel

Abstraktion: Die Detektoren müssen bedarfsgerecht die Synchrotronstrahlung nachweisen.

Energiezufuhr resultierende Bewegung


Linearverfahren Rotation Strahlumlenkung

Tab. 4-4: Die Unterfunktion 3, der Detektorwechsel

Lösungsprinzipien für die Teilfunktion 6: die Positionierung der Filter in y-

Richtung

Abstraktion: Die Filter müssen in einer Richtung (y) eine Translation ausführen.


Lineartisch als Hebetisch Lineartisch Keilverschiebung Linearmotor Zylinder

Tab. 4-5: Die Teilfunktion 5, die Positionierung der Filter in y – Richtung

angreifende Kraft, aus der eine Beschleunigung resultiert

der aus der Beschleunigung resultierender Weg

Detektoren

Filter

Gewindespindel

Detektor 1 / Umlenk- / Detektor 2 Spiegel

Detektoren


- 57 -

Lösungsprinzipien für die Unterfunktion 7.1: die Neutronenabschirmung

Abstraktion: Schutz der inneren Strukturen vor Neutronen – Untergrundstrahlung.


Tetra - Boroxid Tetra - Borkarbid Polyäthylen Paraffin Wasser

Tab. 4-6: Die Unterfunktion 7.1, die Neutronenabschirmung

Lösungsprinzipien für die Unterfunktion 7.2: die Gammaabschirmung

Abstraktion: Schutz der inneren Strukturen vor Gamma – Untergrundstrahlung.


Blei Beton Wasser Wolfram Eisen

Tab. 4-7: Die Unterfunktion 7.2, die Gammaabschirmung

energetisch gebremste Gammastrahlung

energetisch gebremste Neutronenstrahlung und Gammastrahlung

Neutronenstrahlung

Abschirmung

Gammastrahlung

Abschirmung


- 58 -

Lösungsprinzipien für die Teilfunktion 8: die Schwingungsdämpfung

Abstraktion: Der Monitor muss von Schwingungen der Umgebung isoliert werden.


Pneumatische Isolation Elastomerdämpfer Schwingungstilger

Tab. 4-8: Die Teilfunktion 8, die Schwingungsdämpfung

Lösungsprinzipien für die Teilfunktion 9: die Wärmeabfuhr Abstraktion: Die Wärme muss aus dem Monitor abgeführt werden.


Lüfter Kühlrippen Wasserkühlung mit Kühlrippen

Kompressions-kühlung Peltier Kühlelement

Tab. 4-9: Die Teilfunktion 9, die Wärmeabfuhr

Feder (Gestell) und Dämpfer

Nachweisende -Funktionsgruppe

Nachweisende Funktionsgruppe

zugeführte Energie

abgeführte Energie (Wärme)


- 59 -

Lösungsprinzipien für die Teilfunktion 10: die Tragekonstruktion Abstraktion: Der Monitor muss ortsfest und gegen Verschiebungen gesichert werden.


Boden Kragträger Wandaufhängung Deckenaufhängung

Hier ist jeweils der Tunnelquerschnitt mit Boden und Strahlrohr dargestellt. In Rot ist die

jeweilige Ausführung der Trägerkonstruktion angedeutet.

Tab. 4-10: Die Teilfunktion 10, die Tragekonstruktion

Abschirmung / Strahlrohr/

Tragegestell

Fixierung und haltende Kraft

Nachweisende Funktionsgruppe


- 60 -

4.3.2.2. Die Analyse und die Bewertung der Lösungsansätze

Die für die Wirkprinzipien entwickelten Lösungsansätze werden nun analysiert und bewertet. Dafür müssen zu Beginn die zu bewertenden Kriterien geklärt werden. Diese sind der Anforderungsliste entnommen, den gegebenen Möglichkeiten der Fertigung angepasst und unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten erstellt worden. Nachdem diese Kriterien aufgestellt sind, werden sie nach dem „Paarweisenvergleich“[11]7 bewertet, die dazu gehörende Tabelle ist dem Anhang zu entnehmen. Durch dieses Vorgehen wird den Kriterien ein prozentualer Gewichtungsfaktor zugewiesen. Mittels dieses Gewichtungsfaktors wird eine neutrale Bewertung der einzelnen Lösungsansätze vorgenommen. Bei der Bewertung der einzelnen Lösungsansätze wird das Verfahren der „technischen Wertigkeit“[12] angewendet. Die Matrix zur Bewertung der Kriterien ist dem Anhang zu entnehmen. Die folgenden Kriterien wurden zur Bewertung der verschiedenen Lösungsansätze herangezogen. Die Liste ist nach der laufenden Nummer des Paarweisenvergleichs geordnet.

Die Liste der Bewertungskriterien

Lfd. Nr.

Kriterium Wertigkeit in Prozent /

Priorität Bemerkung

Blatt 1 von 3

1 Abmessungen 1,66% / 12

Die äußeren Abmaße haben eine geringe Wertigkeit. Der vorhandene Bauraum begrenzt den zur Verfügung stehenden Platz.

2 Verwendung alter Anschlüsse 3,31% / 10

Die Verwendung der alten Anschlüsse hat eine geringe Wertigkeit. Bei besseren Alternativen können diese ersetzt werden.

3 Fremdlichteinfall 10,50% / 1

Dieses Kriterium hat die höchste Wertigkeit. Fremdlichteinfall verursacht eine falsche Messung und muss verhindert werden.

4 Erschütterungs-empfindlichkeit 7,73% / 4

Erschütterungen erschweren die gezielte Aufnahme des Synchrotronstrahlprofils. Dieses Kriterium hat eine hohe Wertigkeit.

7 der Paarweisevergleich befindet sich im Anhang unter A


- 61 -


Lfd. Nr.



Blatt 2 von 3

5 Verfahrwege 7,18% / 5

Die Verfahrwege haben eine mittlere Wertigkeit. Sie sollten für die Abbildung der gewünschten Bildweite erreicht werden.

6 Detektorwechsel 6,08% / 7

Da die Detektoren unterschiedliche Aufgaben erfüllen, sollte gewährleistet sein, dass diese betriebsgerecht einsetzbar sind. Hier wird eine mittlere Wertigkeit festgestellt.

7 Geschwindigkeiten 0,55% / 13 Die Geschwindigkeit mit der die Detektoren verfahren werden ist von geringer Wertigkeit.

8 Beschleunigungen 0,00% / 14

Die nötigen Beschleunigungen sind von geringster Wertigkeit. Hier ist darauf zu achten, dass beim Anfahren kaum Schwingungen auf die Detektoren übertragen werden.

9 Montage 4,97% / 8

Die Montage des Proton – Emittanz – Monitors ist von mittlerer Wertigkeit. Dieses Produkt wird nur einmal aufgebaut. Dieser Schritt erfolgt allerdings unter schwierigen Umgebungsbedingungen im Beschleuniger-tunnel.

10 Energieversorgung 3,31% / 10

Die motorischen Komponenten können mittels elektrischer Energie betrieben werden. Da andere Energiequellen möglich sind, hat dieses Kriterium eine geringe Wertigkeit.

11 Strahlungsschutz 7,18% / 5

Für die Lebensdauer der elektrischen Komponenten ist die Abschirmung gegen Untergrundstrahlung von mittlerer Wertigkeit.

12 Kühlung 7,18% / 5

Die Lebensdauer der Komponenten wird durch die Temperatur im Proton – Emittanz – Monitor mitbestimmt. Ein Überhitzen der Komponenten kann zu einem sofortigen Ausfall führen. Die Kühlung ist von mittlerer Wertigkeit


- 62 -


Lfd. Nr.



Blatt 3 von 3

13 Ansteuerung 3,87% / 9

Aus Standardisierungsgründen können

2 – Phasen – Schrittmotoren eingesetzt

werden. Da auch andere Lösungen möglich

sind erhält die, auf den Antrieb abgestimmte

Ansteuerung eine geringe Wertigkeit.

14 Sicherheit 8,84 / 3

Die Betriebssicherheit und Unfallsicherheit

sind den DESY – Richtlinien zu entnehmen

und in der Konstruktion mit hoher Wertigkeit

zu berücksichtigen.

15 Transport 4,97% / 8

Der Transport hat eine mittlere Priorität, da er

nur einmal durchgeführt werden muss. Auch

ein einmaliger Aufwand kann

unverhältnismäßig hohe Kosten verursachen.

Deshalb ist dieses Kriterium mit mittlerer

Wertigkeit zu gewährleisten.

16 Wartung 6,63% / 6

Die Wartungsfreundlichkeit des Proton –

Emittanz – Monitors ist von mittlerer

Wertigkeit. Bei einer Bedarfsänderung sollen

die Filter und die Detektoren mit geringem

Aufwand austauschbar sein. Die

Verschleißarmut der verbauten Komponenten

erhält die selbe Wertigkeit

17 Positionierungsgenauigkeit 9,39% / 2

Da hier sehr kleine Verfahrwege ermöglicht

werden sollen, ist eine der Hauptwertigkeiten,

die der Positions- und Wiederholgenauigkeit.

18 Kosten 2,76% / 11

Die Kosten sind als gering zu bewerten.

Dieses Produkt hat hohe Anforderungen an

Genauigkeit und Qualität, die es erfüllen

muss. Auch dadurch, dass es eine

Einzelkonstruktion ist, sind die Kosten von

geringer Priorität.


- 63 -


Lfd. Nr.



Blatt 3 von 3

19 Standardisierung 3,87% / 9

Bei DESY werden einige Komponenten und

Anwendungsfälle standardisiert, deshalb ist

mit geringer Wertigkeit darauf zu achten, dass

der Monitor nicht gegen diese Richtlinien

verstößt.

20 Fertigung 3,31% / 10

Die Fertigung kann beim DESY ausführbar

sein, aus diesem Grund wurde auch hier eine

Bewertung der Teile hinsichtlich der Fertigung

vorgenommen. Dieser Punkt wird mit einer

geringen Wertigkeit eingestuft.

Tab. 4-11: Die Übersicht über die Bewertungskriterien und ihre Wertigkeit

Nachdem die Bewertung der Kriterien vorgenommen ist, werden nun die einzelnen

Lösungsansätze mittels der Wertigkeit dieser Kriterien nach dem Verfahren der

„technischen Wertigkeit“ analysiert. Hierbei wurden nur die für den jeweiligen

Lösungsansatz relevanten Kriterien berücksichtigt.

Die Auflistung aller Lösungsansätze ist dem Anhang zu entnehmen. Hier werden

exemplarisch drei unterschiedliche Teilfunktionsbewertungen und Unterfunktions-

bewertungen angeführt:

• Die Teilfunktion TF1, die Positionierung der Detektoren

• Die Teilfunktion TF4, der Filterwechsel

• Die Teilfunktion TF6, die Unterfunktion Uf1, die

Neutronenabschirmung


- 64 -

Der jeweils beste (rot) und zweitbeste (blau) Lösungsansatz wurde in der Auswahlspalte

markiert.

Die Bewertung der Teilfunktion 1

Die Bewertung der Positionierung der Detektoren

4-sehr gut 3-gut 2-mäßig 1-ungenügend

Variante für Tf 1 / Positionierung der Detektoren

Gon

iom

eter

Line

artis

ch

Line

arm

otor

Heb

etis

ch

Zylin

der

Kriterium Faktor (F)

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Abmessungen 0,017 2 0,033 3 0,050 4 0,066 2 0,033 2 0,033

Erschütterungs- empfindlichkeit 0,077 4 0,309 4 0,309 3 0,232 2 0,155 2 0,155

Verfahrwege 0,072 1 0,072 4 0,287 4 0,287 2 0,144 3 0,215

Geschwindigkeiten 0,006 1 0,006 3 0,017 4 0,022 2 0,011 2 0,011

Beschleunigungen 0,000 1 0,000 3 0,000 4 0,000 2 0,000 3 0,000

Montage 0,050 2 0,099 3 0,149 2 0,099 2 0,099 2 0,099

Energieversorgung 0,033 4 0,133 4 0,133 4 0,133 4 0,133 2 0,066

Ansteuerung 0,039 2 0,077 4 0,155 2 0,077 3 0,116 2 0,077

Sicherheit 0,088 3 0,265 3 0,265 2 0,177 1 0,088 2 0,177

Transport 0,050 4 0,199 4 0,199 4 0,199 4 0,199 4 0,199

Wartung 0,066 1 0,066 4 0,265 2 0,133 2 0,133 2 0,133

Positionierungs- genauigkeit 0,094 4 0,376 4 0,376 4 0,376 2 0,188 2 0,188

Kosten 0,028 1 0,028 4 0,110 1 0,028 3 0,083 2 0,055

Standardisierung 0,039 1 0,039 4 0,155 1 0,039 1 0,039 1 0,039

Bewertung 31 1,702 51 2,470 41 1,867 32 1,420 31 1,448

Auswahl 3 1 2 4 5

Tab. 4-12: Die Bewertung der Lösungsansätze der Teilfunktion 1, die Positionierung der Detektoren


- 65 -

Die Bewertung der Teilfunktion 4

Die Bewertung des Filterwechsels


Variante für Tf 4 / Filterwechsel

Line

arve

rfah

ren

(Lin

eart

isch

)

Rot

atio

n (F

ilter

rad)

Stra

hlum

lenk

ung

Kriterium Faktor (F)

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Abmessungen 0,017 3 0,050 4 0,066 1 0,017

Erschütterungs- empfindlichkeit 0,077 3 0,232 3 0,232 1 0,077

Verfahrwege 0,072 3 0,215 4 0,287 2 0,144

Detektorwechsel 0,061 3 0,182 4 0,243 4 0,243

Geschwindigkeiten 0,006 2 0,011 1 0,006 4 0,022

Montage 0,050 3 0,149 4 0,199 1 0,050

Energieversorgung 0,033 4 0,133 4 0,133 4 0,133

Ansteuerung 0,039 4 0,155 4 0,155 2 0,077

Sicherheit 0,088 4 0,354 4 0,354 0 0,000

Transport 0,050 4 0,199 4 0,199 3 0,149

Wartung 0,066 4 0,265 4 0,265 1 0,066

Positionierungs- genauigkeit 0,094 4 0,376 4 0,376 2 0,188

Kosten 0,028 4 0,110 4 0,110 1 0,028

Standardisierung 0,039 4 0,155 4 0,155 1 0,039

Bewertung 51 2,586 55 2,779 31 1,232

Auswahl 2 1 3

Tab. 4-13: Die Bewertung der Lösungsansätze der Teilfunktion 4, der Filterwechsel


- 66 -

Die Bewertung der Unterfunktion 7.1

Die Bewertung der Neutronenabschirmung


Variante für Tf 7 Uf1 /

Neutronen- abschirmung

Tetr

a - B

orox

id

Tetr

a –

Bor

karb

id

Poly

äthy

len

Para

fin

Was

ser

Kriterium Faktor (F) B

ewer

tung

(B)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Fremdlichteinfall 0,072 4 0,287 4 0,287 4 0,287 4 0,287 1 0,072

Erschütterungs- empfindlichkeit 0,061 4 0,243 4 0,243 4 0,243 4 0,243 1 0,061

Montage 0,072 4 0,287 4 0,287 4 0,287 4 0,287 1 0,072

Strahlungsschutz 0,039 4 0,155 3 0,116 2 0,077 2 0,077 1 0,039

Sicherheit 0,066 3 0,199 3 0,199 3 0,199 3 0,199 1 0,066

Transport 0,094 3 0,282 3 0,282 3 0,282 3 0,282 4 0,376

Wartung 0,028 4 0,110 4 0,110 4 0,110 4 0,110 1 0,028

Kosten 0,033 2 0,066 2 0,066 3 0,099 3 0,099 4 0,133

Standardisierung 0,039 4 0,155 1 0,039 1 0,039 1 0,039 1 0,039

Fertigung 0,033 4 0,133 2 0,066 3 0,099 2 0,066 1 0,033

Bewertung 36 1,917 30 1,696 31 1,724 30 1,691 16 0,917

Auswahl 1 3 2 4 5

Tab. 4-14: Die Bewertung der Lösungsansätze der Unterfunktion 7.1, die

Neutronenabschirmung


- 67 -

4.3.3. Der Morphologische Kasten Die bewerteten Lösungsansätze der einzelnen Teilfunktionen und der Unterfunktionen

werden in den Morphologischen Kasten eingetragen. Dieser bietet nun die Möglichkeit,

durch Kombination der Lösungsansätze verschiedene Gesamtlösungen zu entwickeln.

Da die Kombinationsmöglichkeiten nahezu unbegrenzt sind, wurde hier durch die

vorhergehende Bewertung der Lösungsansätze bereits eine Orientierung geschaffen.

In dem Morphlogischen Kasten sind der jeweils beste Lösungsansatz (rot) und der

zweitbeste Lösungsansatz (blau) markiert. Die Kombinationen der besten und der

zeitbesten Lösungsansätze wurden durch gleichfarbige Pfeile miteinander verknüpft. Es

empfiehlt sich eine dieser Varianten oder Kombinationen daraus als Gesamtlösung

anzuwenden.


- 68 -

Der Morphologische Kasten

Teil-/Unter-funktion

Bezeichnung Lösungsvariante

Tf 1 Position-ierung der Detektoren

Goniometer (Rotation)

Lineartisch (Translation) Linearmotor Hebetisch Zylinder

Tf 2 Position-ierungs-steuerung

Twin - Line Positionier -steuerung

Universelle Motor-

steuerung


Pneumatische SPS

Hydraulische SPS

Tf 3 Detektor-wechsel

Linear-verfahren

Rotation

Strahl-umlenkung

Tf 4 Filterwechsel Linear-verfahren Rotation Strahl-

umlenkung

Tf 5 Filterwechselsteuerung

Twin – Line Positionier -steuerung

Universelle Motor-

steuerung


Pneu-matische

SPS

Hydrau-lische SPS

Tf 6 Position-ierung der Filter in y-Richtung

Hebetisch Lineartisch Keilver-schiebung Zylinder Linearmotor

Tf 7 / Uf 1

Neutronen-abschirmung

Tetra - Boroxid

Tetra - Borkarbid Polyäthylen Paraffin Wasser

Tf 7 / Uf 2

Gamma-abschirmung Blei Beton Wasser Wolfram Eisen

Tf 8 Schwingungs-dämpfung

Pneumatische Isolation

Elastomer -dämpfer

Schwin-gungstilger

Tf 9 Wärmeabfuhr Lüfter Kühlrippen Wasser-

kühlung mit Kühlrippen

Kompres-sionskühlung

Peltier Kühlelement

Tf 10 Träger-konstruktion Boden Kragträger Wand-

aufhängung Decken-

aufhängung

Tab. 4-15: Der Morphologischer Kasten der Teilfunktionen und der Unterfunktionen mit

eingezeichneten Lösungsvarianten


- 69 -

4.3.4. Die Festlegung der Variante

Die Festlegung der technisch optimalen Variante ist der abschließende Meilenstein der

Konzeptphase. Nachdem die optimale Variante aus den Lösungsansätzen mit Hilfe des

Morphologischen Kastens bestimmt wurde, sollten keine Veränderungen in das Konzept

eingebracht werden. Die VDI - Richtlinie 2221 beschreibt ein iteratives Vorgehen, doch

würde ein Rücksprung in die Konzeptphase einen erheblichen zeitlichen Mehraufwand

bedeuten. Dies sollte nur nach der Feststellung gravierender

Verbesserungsmöglichkeiten oder Mängel geschehen. Da nach Rücksprache mit den

Projektverantwortlichen keine gravierenden Mängel oder Verbesserungsvorschläge

entstanden sind, wird hier auf einen Rücksprung verzichtet.

Anhand der bewerteten Lösungsansätze und des Morphologischen Kastens wurde

festgestellt, dass die Kombination der Lineartische mit einer Schrittmotorsteuerung die

technisch optimale Möglichkeit ist, die Detektoren linear zu verstellen und zu wechseln.

Das gleiche gilt für die Filter, hier wurde eine käufliche Lösung ermittelt, die auf einem

Rotationsprinzip basiert. Da dieser Lösungsansatz räumliche Vorteile bei der Anordnung

der Komponenten aufweist, wird hier von dem am besten bewerteten Lösungsansatz

abgewichen. Die am besten geeignete Materialkombination für die Strahlenabschirmung

ist eine Kombination bestehend aus Tetra – Boroxid und Blei. Die Schwingungen lassen

sich optimal mittels eines Elastomerdämpfer dämpfen. Als technisch optimales Element

zur Abfuhr der Betriebswärme wird der Einsatz von Peltier – Kühlelementen festgestellt.

Eine am Boden zu befestigende Tragekonstruktion für die Nachweisende

Funktionsgruppe ist die technisch beste Realisierung, um die Funktionsgruppe ortsfest

zu fixieren.

Für diese Kombination der Lösungsansätze werden nun Komponenten ermittelt, die die

gestellten Anforderungen bezüglich der Genauigkeit, der geometrischen Ausdehnung

und der Funktion erfüllen. Dazu werden für die jeweiligen Komponenten unverbindliche

Angebote von verschiedenen Herstellern eingeholt. Nach Vergleich der Angebote

werden unter Berücksichtigung des Preis-/ Leistungsverhältnisses die Komponenten

bestellt. Die Funktion der zum Einsatz kommenden Komponenten wird im nächsten

Kapitel beschrieben.

Kapitel 5: Die Funktionsbeschreibung ______________________________________________________________________

- 70 -

5. Die Funktionsbeschreibung

Dieses Kapitel beschreibt die Funktionsweise der Komponenten, die während der

Konzeptphase als technisch optimaler Lösungsansatz ermittelt wurden. Die Methoden

der Herstellerermittlung und der optimalen Produktvariante sind vom Prinzip in jedem

Unternehmen gleich. Aus diesem Grund wird hier nicht weiter darauf eingegangen.

Weiterhin wird zum Abschluss dieses Kapitels die erzielte Gesamtfunktion genauer

beschrieben. Die Kenntnis der Produktvariante und die daraus resultierenden

Anschlussmaße und Abmessungen, sind insbesondere für die Konstruktion von großem

Interesse. Für die konstruktive Gestaltung der Nachweisenden Funktionsgruppe werden

die äußeren Abmessungen und andere spezifische Angaben, wie zum Beispiel die

erforderlichen elektrischen Anschlüsse, Befestigungspunkte und mögliche Einbaulagen,

sowie die Abmaße der Verbindungselemente benötigt.

5.1. Die Funktionsbeschreibung der verwendeten Komponenten

Das Kapitel über die verwendeten Komponenten soll einen Ausblick über die

Funktionsweise und den Aufbau der einzelnen Komponenten und den genutzten

physikalischen Effekten geben.

5.1.1. Die Lineartische

Für die Lineartische gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Anbietern, deren Produkte

sich in ihrem Leistungsumfang und Preisniveau stark unterscheiden. Bei der Auswahl

der Lineartische wurden zum Beispiel Produkte von den Herstellern „OWIS“, „Feinmess

Dresden“ und „Micos“ verglichen. Nach Auswertung der Produktinformationen und der

Preise wurden die Lineartische der Serie LTM 80 (Abb. 5-1) von dem Hersteller „Owis“

ausgewählt. Für die unterschiedlichen Verfahrwege sind drei verschiedene Lineartische

dieser Serie bestellt worden, weil diese das Kosten / Leistungsoptimum darstellen.


- 71 -

Die nachfolgende Tabelle 5-1 zeigt eine Übersicht über die eingesetzten Lineartische

des Herstellers „OWIS“.

Die eingesetzten Lineartische

Bestellnummer OWIS

Bezeichnung Verfahrwege maximal

Funktion

41.083.306D.ESM LTM 80 – 300 295mm Verfahrweg in Richtung der

z-Achse


y-Achse und Detektorwechsel


x-Achse

Tab. 5-1: Die eingesetzten Lineartische

Die Bestellnummer beinhaltet die Variantenbestimmung, die hier zum besseren

Verständnis am Beispiel des LTM 80 – 300 erklärt wird.

Der Bestellschlüssel

Aufschlüsselung der Bestellnummer bei OWIS 41.083. Typenschlüssel der LTM 80 Serie

30 Angabe des Verfahrweges abzüglich der Endschalterstrecke, 300mm

6D. Angabe der Motorausstattung, 6D – Schrittmotor

ESM Angabe des Endschalters, mechanisch

Tab. 5-2: Die Aufschlüsselung der Bestellnummer


- 72 -

Der Lineartisch

Abb. 5-1: Die Darstellung eines der eingesetzten Lineartische von OWIS der LTM 80

Serie

Bei den Lineartischen wurden aus Gründen der Steuerungsstandardisierung,

2 – Phasen – Schrittmotoren eingesetzt. Als Endlagenschalter zur Begrenzung der

Verfahrstrecke werden hier mechanische Endlagenschalter verwendet. Die vom

Hersteller außerdem angebotenen Hallsensoren gelten unter den gegebenen

Einsatzbedingungen als problematisch. Weitere Angaben zu den Lineartischen, wie zum

Beispiel die Positionierungsgenauigkeit und der Wiederholungsfehler, sind dem im

Anhang beigefügten Datenblatt zu entnehmen. Im folgenden Kapitel werden kurz die

Schrittmotoren von „Nanotec“ genauer erläutert.

5.1.1.1. Die Schrittmotoren

Die in den Lineartischen zum Einsatz kommenden 2 – Phasen – Schrittmotoren werden

von dem Hersteller „Nanotec“ geliefert. Es werden die so genannten „High Torque“

Motoren eingesetzt. Diese Motoren gehören zu der Gruppe der Hybrid – Schrittmotoren,

charakteristisch weisen diese ein sehr hohes Drehmoment auf. Hybrid – Schrittmotoren

gehören zu der Klasse der permanentmagnetisch erregten Schrittmotoren. Obwohl

diese am oberen Ende der Preisskala angesiedelt sind, werden sie wegen der genauen

Positionierung und des hohen Drehmomentes für spezielle Aufgaben, wie zum Beispiel


- 73 -

für hochwertige Datenträger, optische oder medizinische Geräte, eingesetzt. Außerdem

haben die permanentmagnetisch erregten Schrittmotoren einen vom Prinzip her höheren

Wirkungsgrad als Reluktanzmotoren8 [13]. Dadurch wird auch ein Vorteil bei der

Abführung der Betriebswärme erwartet. Da bei dem Einsatz im Proton – Emittanz –

Monitor keine hohen Drehzahlen benötigt werden, wird an dieser Stelle empfohlen, die

Motoren im seriellen Bipolarbetrieb zu betreiben. Das hat den Vorteil, dass ein

geringerer Stromfluss für das Haltemoment aufgebracht werden muss und dadurch wird

die Betriebswärme herabgesenkt. Die Ansteuerung wird durch eine spezielle Software

realisiert.

Weitere Angaben zu den Schrittmotoren sind dem Anhang zu entnehmen.

Das Schaltbild eines Schrittmotors

Abb. 5-2: Die Darstellung eines Schrittmotors im seriellen Bipolarbetrieb

8 bei diesen Schrittmotoren besteht der Rotor aus einem gezahnten Weicheisenkern


- 74 -

5.1.2. Die Filterräder

Die Filterräder werden ebenfalls von dem Hersteller OWIS bezogen. Es sind Filterräder

(Abb. 5-3) mit der Möglichkeit, vier verschiedene Filter aufzunehmen. Zum Einsatz

kommen in den Filterrädern unterschiedliche Filtertypen. Die verwendeten

Neutraldichtfilter und Polarisationsfilter sind in dem nächsten Kapitel genauer

beschrieben. Die Filterräder sind, wie die Lineartische, mit Schrittmotoren ausgestattet.

Durch diese Motorisierung können die Filterräder nicht nur eine bestimmte Anzahl von

Filtern aufnehmen, sondern diese je nach Anwendungsfall aktivieren. Dieses Prinzip

basiert auf einer rotierenden Scheibe, in der die verschiedenen Filter eingesetzt werden.

Je nach Anwendungsfall werden die Filter in den Durchlass geschwenkt und sind somit

einsatzbereit.

Das Filterrad

Abb. 5-3: Die Abbildung eines der eingesetzten Filterräder der Firma OWIS


- 75 -

5.1.2.1.Die Polarisationsfilter

Das Licht ist eine elektromagnetische Welle, die transversal zu ihrer

Ausbreitungsrichtung schwingt. Hierbei kann es in alle verschiedenen Richtungen

senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Das Licht kann beispielsweise zirkular

polarisiert, elliptisch polarisiert oder linear polarisiert sein. Das Licht der

Synchrotronstrahlung ist linear polarisiert, und nur dieses Licht darf durch die Filter zu

den Detektoren gelangen. Deshalb werden Linear – Polarisationsfilter eingesetzt, die

Fremdlicht und Streulicht vor den Detektoren abfiltern (Abb. 5-4) [14].

Der Polarisationsfilter

Abb. 5-4: Die Abbildung der Wirkweise von den Polarisationsfiltern


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5.1.2.2. Die Neutraldichtfilter Die Synchrotronstrahlung ist ein intensives und stark gebündeltes Licht. Durch eine zu hohe Intensität können die Detektoren überlastet werden. Deshalb werden Neutraldichtfilter vorgeschaltet. Diese sind neutralgrau eingefärbt, dadurch wird die durchtretende Lichtmenge vermindert. Somit ist gewährleistet, dass die einfallende Synchrotronstrahlung nur in der Intensität herabgesetzt wird und die Detektoren vor Überlastung geschützt sind.

5.1.3. Die CAN Bus – Steuerung Der CAN Bus (Controller Area Network / Binary Unit System) ist ein asynchroner, serieller Standard Feldbus (ISO 11898), der in vielen Bereichen eingesetzt wird. Der CAN-Bus arbeitet nach dem CSMA- (Carrier Sense Multiple Access) Verfahren. Zur fortlaufenden Synchronisierung der Busteilnehmer wird ein Bit - Stuffing verwendet. In diesem Anwendungsfall wird der Bus mit Kupferleitungen ausgeführt. Beim Einsatz von Kupferleitungen arbeitet der CAN-Bus mit Differenzsignalen. Er wird normalerweise mit 3 Leitungen ausgeführt: CAN_HIGH, CAN_LOW und CAN_GND. CAN_LOW enthält den komplementären Pegel von CAN_HIGH gegen Masse. Dadurch können Gleichtaktstörungen unterdrückt werden, da ja die Differenz gleich bleibt. Besonders interessant ist dieses System, weil es große Leitungslängen zulässt und über ein sehr gutes Fehlerverhalten verfügt. In dem CAN Bus Netz kann jede Komponente Bit – Fehler erkennen und diese als Meldung an alle anderen Komponenten senden. Kommt es zu einer Häufung „falscher Fehlermeldungen“, zum Beispiel weil ein Modul defekt ist, werden die Sendeberechtigungen des Moduls eingeschränkt, dies kann bis zu einem „bus off“ führen. In diesem Zustand hat das Modul keine Sendeberechtigung mehr [15]. Diese beiden beschriebenen Eigenschaften sind besonders in dem geplanten Einsatzgebiet wichtig, da die Signale über weite Strecken mit vielen möglichen Störquellen gesendet werden müssen. Die hohe Übertragungsrate, die der Bus zur Verfügung stellt, ist für den Einsatz nicht ausschlaggebend, da hier nur die fünf Endstufen zur Schrittmotorsteuerung angesprochen werden. Dennoch ist dieser Bus günstiger und auf Grund seiner hohen Störungssicherheit besser geeignet als andere Bussysteme.


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5.1.4. Die Endstufen zur Schrittmotorsteuerung Für die Schrittmotoren werden zur Signalverarbeitung und zur Spannungsversorgung

Endstufen eingesetzt. Diese werden über den entsprechenden Bus angesteuert und

wandeln die Steuerungsbefehle in definierte Schrittfrequenzen und Ströme um. Die

Endstufen versorgen die Schrittmotoren mit Spannung in der definierten Schrittfrequenz.

Hier kommen die Endstufen „CAN – Stepcon 1H“ des Herstellers „esd“ zum Einsatz.

Diese Endstufen haben sich durch ihren Leistungsumfang, ihre Preisgestaltung und die

unkomplizierte und robuste Ansteuerung über die CAN – Bus – Schnittstelle bewährt.

Aus diesen Gründen werden diese Endstufen bei DESY bevorzugt verwendet. In

Abbildung 5-5 ist eine der Endstufen abgebildet. Das Schaltbild einer Schrittmotoren –

Endstufe mit den entsprechenden Anschlüssen der Signale und Energie ist in der

Abbildung 5-6 dargestellt. Das vollständige Datenblatt und die Bedienungsanleitung sind

dem Anhang beigefügt.

Die Schrittmotoren Endstufe

Abb. 5-5: Die Abbildung einer eingesetzten Endstufe des Hersteller esd


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Das Schaltbild der Endstufe

Abb. 5-6: Die Abbildung zeigt das Schaltbild der Schrittmotoren – Endstufe mit Anschlüssen des

Motors sowie der Endschalter, der Energieversorgung und des CAN – Bus

5.1.5. Der Photomultiplier

Bei der neu konstruierten Nachweisenden Funktionsgruppe wird ein Photomultiplier des

Typs „R2496“ der Firma „Hamamatsu“ (Abb. 5-7) eingesetzt.

Der Photomultiplier

Abb. 5-7: Die Abbildung des Photomultiplieres R2496 von Hamamatsu


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Photomultiplier sind spezielle Elektronenröhren, die dazu dienen, schwache Lichtsignale zu verstärken. An dem Messausgang wird ein Oszilloskop angeschlossen auf dem das Signal betrachtet wird. Durch die Funktionsweise ist es mit einem Photomultiplier möglich, einzelne Lichtteilchen (Photonen) nachzuweisen. Die Photonen treffen auf die Photokathodenschicht und schießen so Elektronen aus deren Oberfläche (Abb. 5-8).

Das Prinzip des Photomultipliers

Abb. 5-8: Die Prinzipskizze eines Photomultipliers

Die freigesetzten Photoelektronen werden in einem elektrischen Feld beschleunigt und treffen auf weitere Elektroden (sog. Dynoden), aus deren Oberfläche jedes auftreffende Elektron mehrere Sekundärelektronen herausschlägt. Somit nimmt die Anzahl der Elektronen von Dynode zu Dynode kaskadenartig zu. Damit dieses Prinzip funktioniert, müssen die Dynoden auf zunehmend (im Bild von links nach rechts) positivem Potential liegen. Meist wird dieses realisiert, indem die ursprüngliche Hochspannung über eine Spannungsteilerkette heruntergeteilt wird. Zum Schluss treffen die Elektronen auf eine Anode und fließen zur Masse ab. Dabei erzeugen sie einen Spannungsabfall über dem eingezeichneten Widerstand. Dieses Signal wird ausgekoppelt. Der Verstärkungsfaktor wächst exponentiell mit der Anzahl der Dynoden. Typische Multiplier haben ca. 10 Dynoden. Werden an jeder Dynode 5 Elektronen pro auftreffendem Elektron ausgeschlagen, so erhält man eine Verstärkung der Elektronenzahl, also des Stroms, um einen Faktor 510 ~ 107. Die Anzahl der erzeugten Sekundärelektronen ist proportional zur Anzahl der eingestrahlten Photonen. Darum ist auch die Höhe des ausgegebenen Spannungspulses proportional zur eingestrahlten Photonenzahl, somit auch zu der Intensität des Lichtes [16].


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5.1.6. Die Kamera In dem bisher eingesetzten Monitor ist eine Digitalkamera mit einem empfindlichen Lichtsensor eingebaut. Diese wird in der neu konstruierten Nachweisenden Funktionsgruppe nicht wieder zum Einsatz kommen. Die bisherige Kamera wird durch eine Kamera vom Typ JAI-M 300 (Abb. 5-9) ersetzt. Diese Kamera hat einen lichtempfindlichen CCD – Sensor mit einer Empfindlichkeit von 0.05 Lux. Es ist eine monochrome Kamera ausgewählt worden. Eine farbliche Auflösung der Synchrotronstrahlung ist nicht nötig, da hier die Intensitätsverteilung im transversalen Strahlprofil betrachtet werden soll. Dieses wird bisher mit einer monochromen Kamera erfolgreich umgesetzt. Mit der verwendeten Kamera wird der Synchrotronstrahlfleck aufgenommen. Die Auswertung erfolgt nach einem speziellen Verfahren. Es werden die Helligkeitsinformationen der einzelnen Pixel ausgewertet. Die Helligkeit der aufgenommenen Synchrotronstrahlung lässt auf diese Weise einen Rückschluss auf die Intensitätsverteilung der Synchrotronstrahlung zu. Die Helligkeitsinformation der einzelnen Pixel des CCD – Chips werden in Strahlungsintensitäten umgerechnet. Dieses Prinzip ist anwendbar, weil die Kamera das aufgenommene Signal in einem 8 – Bit Code umsetzt. Nachdem die Transformation der Signale ausgeführt ist, werden beide Informationen auf einem Monitor angezeigt. Zum einen wird das aufgenommene Bild direkt in den Beschleuniger Kontrollraum übertragen, zum anderen werden die ausgewerteten Intensitätsinformationen neben dem Bild eingespielt. Durch diese Transformation des Signals ist es möglich eine Intensitätsverteilung anzugeben, die neben dem Abbild (Abb. 2-2) ebenfalls angezeigt wird. Durch diese Intensitätsverteilung lassen sich Rückschlüsse auf die Strahlemittanz ziehen.

Die Kamera

Abb. 5-9: Das Abbild der eingesetzten Kamera JAI – 300 M


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5.1.7. Die Peltier – Kühlelemente Bisher werden in dem Proton – Emittanz – Monitor Peltier Kühlelemente verwendet.

Diese sollen aus den im Folgenden genannten Gründen wieder eingesetzt werden.

Einer der wichtigsten Vorteile der Peltier – Kühlelemente ist, dass diese lichtdicht sind.

Das Funktionsprinzip beruht auf dem angewendeten Peltier – Effekt. Eine Erläuterung

dazu folgt weiter unten. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Temperaturdifferenz zwischen

der Umgebung und dem zu kühlendem System geschaffen wird, die zwar abhängig von

der Umgebungstemperatur ist, trotzdem immer eine Differenz aufweist, so dass das zu

kühlende System immer eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur aufweist.

Wie oben erwähnt wird bei den Peltier – Kühlelementen der Peltier – Effekt (Abb. 5-11)

angewendet, dies ist eine Umkehrung des Seebeck – Effekts (Abb. 5-10).

Der Seebeck – Effekt

Abb. 5-10: Die Abbildung zeigt den Seebeck – Effekt


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Der Peltier – Effekt

Abb. 5-11: Die Abbildung zeigt den Peltier – Effekt

Der Seebeck – Effekt wird in anderen technischen Produkten angewendet, wie zum

Beispiel bei den Thermoelementen. Bei diesen werden zwei unterschiedliche Metalle

miteinander verbunden, so dass diese Metalle zwei Kontaktstellen besitzen. An den

Kontaktstellen können freie Elektronen von einem in das andere Metall übergehen.

Dadurch entsteht eine Berührungsspannung, deren Größe temperaturabhängig ist.

Besteht zwischen beiden Kontaktstellen keine Temperaturdifferenz, gleichen sich die

Spannungen aus. Werden an die Kontaktstellen unterschiedliche Temperaturen

angelegt, entsteht eine Thermospannung, auf Grund derer ein Thermostrom fließt. Die

Größe des Thermostroms ist vom Material und dem Stromkreiswiderstand abhängig.

Kehrt man diesen Effekt um und legt einen Strom an, entsteht eine Temperaturdifferenz

zwischen den Kontaktstellen. Dabei kühlt sich die Kontaktstelle ab, die sonst erwärmt

werden würde [17]. Durch diesen Effekt wird der Innenraum der Abschirmung gekühlt.

Die Peltier – Kühlelemente sind auf einen Direkt Air (DA) Betrieb ausgelegt. Um die

Kühlleistung zu erhöhen, sind auf beiden Seiten, auf der Innen- und auf der Außenseite

des Peltier - Kühlelementes, Ventilatoren angebracht. Diese sorgen für einen erhöhten

Volumenstrom und somit für eine verbesserte Kühlleistung.


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5.1.8. Die Spannungsversorgung und der Signalfluss

In der Konzeptphase wurde festgestellt, dass die Nachweisende Funktionsgruppe am

besten mit elektrischer Energie gespeist wird. Für die Energieversorgung des Monitors

werden demnach verschiedene Spannungen benötigt. Zum Einen werden Spannungen

in den Bereichen 12V DC und 24V DC benötigt, zum Anderen Hochspannung im

Bereich zwischen 1-2kV DC. Es müssen also mindestens drei verschiedene

Spannungswandler vorgesehen werden. Da die elektrischen Anschlüsse wieder

verwendet werden sollen, sind die Spannungsquellen für die Kamera und die Peltier –

Kühlelemente bereits vorhanden. Auch das Signalkabel in Form eines BNC Anschlusses

für die Kamera ist bereits vorhanden und soll weiterhin eingesetzt werden. Es ist eine

Spannungsquelle für die Schrittmotoren vorzusehen. Außerdem benötigt die

Schrittmotorsteuerung eine Signalleitung. Beides muss noch im HERA – Tunnel bzw. in

dem Elektronik - Raum installiert werden. In dem Elektronik - Raum werden noch weitere

Komponenten benötigt: Eine Hochspannungsquelle zur Versorgung des Photomultipliers

und ein Oszilloskop zur Auswertung des Stromes, den der Phtomultiplier liefert. Die

schematischen Darstellungen des Signalflusses (Abb. 5-12) und des Energieflusses

(Abb. 5-13) sind in den folgenden Darstellungen abgebildet.


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Der Signalfluss

Abb. 5-12: Die Schematische Darstellung des Signalflusses


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Der Energiefluss

Abb. 5-13: Die Schematische Darstellung des Energieflusses


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5.2. Die Zusammenfassung der Gesamtfunktion

Dieses Kapitel beschreibt die Gesamtfunktion der technischen Komponenten. Es dient

der Zusammenfassung der bisher beschriebenen Einzelfunktionen. Abschließend vor

dem Beginn der Konstruktion wird hierdurch das Ziel erneut fixiert. Das ist deshalb

besonders wichtig, weil nun die einzelnen zu verwendenden Komponenten und deren

Funktionsumfang, sowie deren Abmessungen genau bekannt sind.

Bei dieser Zusammenfassung ist der Ausgangspunkt die Synchrotronstrahlung. Diese

fällt durch die einzige verbliebene Öffnung der Abschirmung gezielt ein. Der geradlinige

Strahl trifft, nachdem er die Filtereinsätze passiert hat, auf den angewählten Detektor.

Die Auswahl der Detektoren erfolgt über einen der Lineartische, der funktionsgemäß das

Verfahren der Detektoren gewährleistet. Der für die Auswahl der Detektoren ausgelegte

Lineartisch ist so dimensioniert worden, dass er über den geforderten Verfahrweg eine

weitere Strecke verfahren kann, die ausreicht, um einen Wechsel der Detektoren

auszuführen. Durch die Kombination der drei Lineartische ist es nach Auswahl des

aktiven Detektors möglich, die optimale Bildweite anzusteuern. Der zum Einsatz

kommende Photomultiplier ermittelt, wo genau die Position der Synchrotronstrahlung ist

und misst die Strahlungsintensität. Die Kamera liefert nun als nachweisendes Element

die Daten, die zur Beurteilung des Elementarteilchenstrahls benötigt werden. Das Abbild

und die digitalisierte Intensitätsverteilung werden online auf den Kontrollbildschirm in

den BKR übertragen.

Die dafür notwendigen Nebenfunktionen beinhalten die Fernsteuerbarkeit und die

Abschirmung der Detektoren, die Steuereinheiten für die Lineartische sowie das

Tragegestell. Die Fernsteuerbarkeit wird mittels eines PC für die Steuerung der

Schrittmotoren und das entsprechende Übertragungsmedium, das Intranet und den CAN

– Bus, realisiert. Die Endstufen, die das andere Ende der Fernsteuerungssignalkette

darstellen, speisen die Schrittmotoren entsprechend der Steuerdaten mit Spannungen,

Strom und Schrittfrequenzen. Die Abschirmung dient, wie beschrieben, dem Schutz der

Komponenten gegen die Untergrundstrahlung im Beschleunigertunnel und gegen den

Einfall von Fremdlicht in den Messaufbau. Die letztere Funktion ist insbesondere bei der

Konstruktion zu berücksichtigen. Das Tragegestell soll die Nachweisende


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Funktionsgruppe ortsfest im Beschleunigertunnel fixieren. Außerdem erfüllt das Gestell

die Funktion der Schwingungsdämpfung. Diese Funktion wird von einem speziellen

Dämpfungsmaterial übernommen. Dieses wird zwischen dem Tragegestell und der

Abschirmung platziert.

Nachdem nun in diesem Kapitel der Funktionsumfang der neuen Nachweisenden

Funktionsgruppe zusammenfassend beschrieben wurde, wird deutlich, wie die

erforderlichen Funktionen und Anforderungen in der Konstruktion umgesetzt werden

müssen.

Kapitel 6: Die Konstruktion ______________________________________________________________________

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6. Die Konstruktionsphase

Nachdem in der Konzeptphase der Gesamtentwurf für die neu zu konstruierende

Nachweisende Funktionsgruppe erstellt wurde, die Komponenten ermittelt und der

geforderte Funktionsumfang fixiert wurde, kann nun mit der Umsetzung der

Erkenntnisse durch die Konstruktion begonnen werden.

In diesem Kapitel werden im folgenden kurz die Struktur der Arbeiten und die während

der Konstruktion genutzten Hilfsmittel erläutert.

Die Entwicklung, die Dokumentation und die Herstellung von Produkten werden immer

stärker durch Computer – Software unterstützt. Dies erleichtert bei durchgängiger

Anwendung die Arbeit des Konstrukteurs, beginnend bei der Konstruktion, über die

Berechnung bis hin zu der Fertigung, erheblich. Für die optimale Ausnutzung der

Computer – Software sind einige Punkte vorab zu bedenken. Damit die Vorteile einer

Computerintegrierten Produktion (engl. CIM - Computer Integrated Manufacturing) zur

Geltung kommen können, ist es wichtig, die Leistungsfähigkeit und die Vernetzung der

zu nutzenden Ressourcen zu kennen.

Während der Konstruktion wird eine CAD – Software (engl. Computer Aided Design)

eingesetzt. Diese muss über Schnittstellen und Netzwerke mit anderen Programmen

Daten austauschen können. Zum Beispiel sollen aus den erstellten 3D – Modellen Daten

für eine CNC gesteuerte Fertigung nach dem CAM – Prinzip (engl. Computer Aided

Manufacturing) erstellt werden. Dazu muss sichergestellt sein, dass beide Programme

über geeignete Schnittstellen für die Datenkonvertierung verfügen. Neben dieser

Schnittstelle ist der Austausch der 3D – Modelle ein wichtiger Punkt. Dies geschieht mit

einer speziellen EDI – Applikation (engl. Electronic Data Interchange). Eine solche

Software ermöglicht generell den Austausch von 3D – Modellen mit anderen

Gruppenmitgliedern und anderen Nutzern, wie zum Beispiel OEM´s, Zulieferern oder

Lohnfertigungsunternehmen.


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Ein weiterer wichtiger Punkt, der vor Beginn der Konstruktion zu klären ist, bezieht sich

auf das zu verwendende Koordinatensystem. Zwar ist es durch den Einsatz der

modernen 3D – CAD Software möglich, die Bauteil ohne jeden Bezug zu ihrem späteren

Koordinatesystem zu erzeugen. Trotzdem ist eine Festlegung des Koordinatensystems

aus verschiedenen Gründen wichtig. Zum Einen haben andere Nutzer der Daten dann

einen festen Bezug zu den Bauteilen. Zum Anderen können die Bauteile mittels des

globalen Koordinatensystems direkt in ihrer späteren Lage erzeugt und in bestehende

oder zukünftige Konstruktionen integriert werden. Die Verwendung des im

Teilchenbeschleuniger HERA vorgegebenen Koordinatensystems ist aus diesen

Gründen sehr zielorientiert. Das Koordinatensystem bezieht sich auf die Strahlachse des

Teilchenstrahls. Die positive z-Richtung wurde in Beschleunigungsrichtung des

Elektronenstrahls festgelegt. Daraus resultiert für den Monitor das in der Abbildung 4-2

dargestellte Koordinatensystem.

Nachdem nun die organisatorischen Rahmenbedingungen für die CAD – Anwendung

geklärt sind, wird in dem folgenden Kapitel kurz die Auswahl des CAD – Programms für

diese Aufgabe und das Vorgehen zur Strukturierung der 3D – Konstruktion erläutert.

Nach der Erläuterung der Dimensionierung im anschließenden Kapitel werden die

Ergebnisse der Bauteilberechnungen präsentiert.

6.1. Die Konstruktion mittels eines 3D – CAD Systems

Für diese Konstruktion wird ein 3D High End CAD – Programm eingesetzt. Der Gruppe

MDI stehen zwei verschiedene CAD – Programme zur Verfügung. Das CAD – Tool

„I –DEAS“ und „Solide Edge“. Beide Programme sind für eine 3D – Konstruktion sehr gut

geeignet. I – DEAS bietet über die geforderten Funktionalitäten hinaus noch einige

zusätzliche nützliche Applikationen, wie zum Beispiel eine FEM – Applikation. Viele

Konstruktionen, die den Teilchenbeschleuniger HERA betreffen, sind auf dem I – DEAS

System entstanden. Aus diesen beiden Gründen wird das Programm I – DEAS zur

Modellerzeugung eingesetzt.


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Um einen effektiven Einsatz der CAD – Software zu gewährleisten, muss eine durchgängige Produktstruktur erstellt werden. In diesem Fall sollte die Produktstruktur sich an den Baugruppen der neu zu konstruierenden Nachweisenden Funktionsgruppe orientieren. Dadurch entstehen Vorteile; beispielsweise können die einzelnen Bauteile einer Baugruppe während des Konstruktionsprozesses ohne Einflussnahme auf andere Baugruppen verändert werden. Zur Erstellung der Baugruppen während der Assembly – Phase ist eine Baugruppenstruktur zielführend. Jedem Bauteil müssen bei der Baugruppenerstellung Zwangsbedingungen zugewiesen werden. Ein Produkt ohne eindeutige Struktur würde eine Vielzahl von redundanten Zwangsbedingungen enthalten. Ein strukturierter Zusammenbau würde dadurch sehr erschwert. Als erstes wird damit begonnen, die Produktstruktur im Sinne eines Baugruppen – Managements zu strukturieren. Da in der Konzeptphase durch das Erstellen der Teilfunktionen schon eine Struktur entstanden ist, wird auf diese zurückgegriffen. Die Produktstruktur gliedert die einzelnen Baugruppen in die entsprechenden Teilfunktionen und Unterfunktionen. Hier eine Auflistung der zu erstellenden Baugruppen:

• Baugruppe A: Neutronenabschirmung

• Baugruppe B: Gammaabschirmung

• Baugruppe C: Positionierungseinheit

• Baugruppe D: Detektoren

• Baugruppe E: Hubtisch

• Baugruppe F: Anbauteile

• Baugruppe G: Tragegestell

Einige dieser Baugruppen fassen einzelne Teilfunktionen und Unterfunktionen zusammen und stellen außerdem eine geeignete Fertigungsstruktur dar. Ein Grund dafür ist, dass einige der Baugruppen nicht in hausinternen Werkstätten gefertigt werden. Zum Beispiel die Gammaabschirmungen; die aus Blei bestehenden Bauteile, werden auf Grund der zur Bleiverarbeitung einzuhaltenden Sicherheitsvorschriften von einem speziellen Lohnfertigungsunternehmen hergestellt. Ähnliches gilt für die Neutronenabschirmung aus Tetra – Boroxid. Die vorhandene Werkstattstruktur ist nicht für derart große Dimensionen der Kunststoffbearbeitung ausgelegt. Deshalb wird die Fertigung ebenfalls an ein Lohnfertigungsunternehmen abgegeben.


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Die beschriebenen Besonderheiten werden bei der Baugruppenstruktur dadurch berücksichtigt, dass diese Baugruppen separat erstellt werden. Die Baugruppe Positionierung fasst mehrere Teilfunktionen zusammen. Zum Einen die

Teilfunktion 1, Positionierung der Detektoren, und zum Anderen die Teilfunktion 2,

Wechsel der Detektoren. Die Baugruppe Detektoren beinhaltet sowohl die beiden

Detektoren als auch Bauteile, die der Befestigung der Detektoren dienen, und außerdem

einige elektrische Komponenten.

Der Hubtisch ist eine Eigenkonstruktion und wird vollständig in hausinternen Werkstätten

gefertigt. Aus diesem Grund ist der Hubtisch eine eigene Baugruppe. Diese erfüllt die

Teilfunktion 6, Positionierung der Filterräder. Da die Filterräder die Teilfunktion 5,

Filterwechsel, beinhalten, werden diese mit in der Baugruppe Hubtisch verwaltet. Die

Filterräder sind Kaufteile und werden als „grobes Modell“ nur mit den entsprechenden

Anschlussmaßen in der 3D – CAD – Software erzeugt.

In der Baugruppe Anbauteile sind alle Komponenten und Bauteile zusammengefasst,

die zu keiner Funktion der anderen Baugruppen gehören. Beispielsweise die Blenden für

die elektrischen Abschlüsse oder die Halterung der Endstufen für die Schrittmotoren.

Ferner gehören dazu weitere Kabelverbindungen und Stecker.

Das 3D – Modell wird mittels I-DEAS in den unterschiedlichen Programm –

Applikationen erzeugt. Zu Beginn werden die Bauteile in einem „Modeler“ erstellt. In der

Modeler – Applikation werden als erstes in einer „2D Oberfläche“ die Konturen der

Bauteile erzeugt. Durch Extrudieren wird aus der Kontur ein 3D – Modell. An diesen 3D

– Modellen werden weitere Formänderungen wie Bohrungen, Aussparungen und Fasen

erzeugt.

Eine andere Programm – Applikation, das Assembly, wird dazu genutzt, um die

erzeugten Bauteile zu einer Baugruppe zusammen zu fügen. Diese Baugruppen werden

durch Zwangsbedingungen weiter verknüpft. So entsteht aus den einzelnen

Baugruppen - Assemblys das neue Produkt.


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6.2. Die Dimensionierung der Bauteile

Nachdem die Produktstruktur erstellt ist, kann mit der Erzeugung der 3D – Modelle und der Dimensionierung der Bauteile begonnen werden. Die Dimensionierung der Bauteile erfolgt nach dem „Inside Out“ Prinzip. Das bedeutet, dass von innen nach außen konstruiert wird. Durch dieses Vorgehen wird der minimale Bauraum erreicht, da alle Bauteile kompakt als Baugruppe zusammengefügt werden. Die innersten Baugruppen, die Positionierung, die Detektoren und der Hubtisch, bestimmen somit den Raumbedarf, der von der Abschirmung umgeben werden muss. Die Baugruppe Positionierung hat auf Grund der Lineartische die größten äußeren Abmaße. Deshalb wird diese Baugruppe zuerst erzeugt. Die Bauteile, die zur Verbindung der Lineartische benötigt werden, sind daher vorrangig zu bearbeiten. Die benötigten Abmaße ergeben sich aus den Gesamtabmessungen der Lineartische. Den Verbindungselementen wird als Versagensgrenze eine maximale zulässige Verformung zugeordnet. Daraus folgt, wie bei der Berechnung nachgewiesen wird, eine Überdimensionierung im Sinne der maximalen zulässigen Spannungen. Die Detektoren sind an der Positionierung befestigt, somit werden diese im nächsten Schritt als Modell erzeugt und zu einer Baugruppe zusammengefasst. Diese Baugruppe wird nun mit der Positionierung verbunden. Im nachfolgenden Schritt wird die Baugruppe Hubtisch erzeugt, diese ist die letzte der den Bauraum bestimmenden Baugruppen. Die erzeugten Baugruppen werden so angeordnet, dass sie bei vollem Funktionsumfang den geringsten Raumbedarf und die kleinsten Materialbeanspruchungen aufweisen. Die Baugruppen der Neutronenabschirmung und der Gammaabschirmung erfüllen zwei Aufgaben. Als Erstes sollen diese ihre Hauptfunktion erfüllen, nämlich die umbauten Bauteile und Komponenten vor der Untergrundstrahlung schützen. Als Zweites dient die Neutronenabschirmung der Befestigung der anderen Baugruppen. Durch die Befestigung der Positionierung und des Hubtisches an der Neutronenabschirmung wird ein erhöhter Raumbedarf einer Befestigungsstruktur umgangen. Die nötige Flexibilität der Nachweisenden Funktionsgruppe wird durch die Schnittstelle zwischen der Baugruppe der Positionierung und der Baugruppe der Detektoren erhalten. Die Dimensionen der Neutronenabschirmung und der Gammaabschirmung sind in der Anforderungsliste aufgeführt und durch den Raumbedarf der zu umschließenden Baugruppen gegeben.


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Die Bauteile werden nach diesen Angaben dimensioniert. Die Berechnung erfolgt nach der Dimensionierung der Bauteile und dem Zusammenfügen der einzelnen Baugruppen zu einem Gesamtprodukt. Dieses Vorgehen wird ermöglicht, da Änderungen der Bauteildimensionen, die sich während der Berechnung ergeben, durch die assoziative Struktur von I-DEAS einfach vorzunehmen sind. Das bedeutet, dass durch die zugewiesenen Zwangsbedingungen die anderen Bauteile automatisch an die vorgenommenen Veränderungen angepasst werden. Außerdem sind erst nach der Dimensionierung die wirklichen Lasten, die durch die Bauteile entstehen, bekannt.

6.3. Die Berechnung der Komponenten und der Bauteile Zur Berechnung der Bauteile und der Komponenten wurde das Programm MathCad 2001 genutzt. Die zu der Berechnung benötigten Formeln sind den Büchern „Rolff / Matek - Maschinenelemente“ [18], und „Technische Mechanik – Herr und Frau Dankert“ [19] entnommen und unten exemplarisch in der verwendeten Reihenfolge aufgeführt. In diesem Abschnitt sind nur die relevanten Ergebnisse angeführt, die genauen Rechenwege und Gleichungen sind dem Anhang zu entnehmen. Weil es sich hier um grundlegende Gleichungen handelt sind die Symbolerklärungen Kapitel III zu entenhemen. Die verwendeten Lineartische geben die dynamischen Rahmenbedingungen, die Beschleunigung und die Geschwindigkeit, vor. Daher werden diese Komponenten zuerst berechnet. Im Anschluss werden die aus den statischen Belastungen resultierenden Verformungen bestimmt. Darauf aufbauend werden die dynamischen Einflüsse auf die Positionierung und der Einfluss der erhöhten Umgebungstemperatur betrachtet.

6.3.1.Die Berechnung der Komponenten Die Berechnung der Komponenten bezieht sich ausschließlich auf die Lineartische. Es sind die für die dynamischen Belastungen ausschlaggebenden Komponenten. Bei der Ansteuerung der Lineartische werden die Beschleunigungen und die Geschwindigkeiten vorgegeben. Da in der Anforderungsliste keine definierten Beschleunigungen und Geschwindigkeiten angegeben sind, werden hier vorrangig diese Größen bestimmt.


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6.3.1.1. Die Berechnung der Geschwindigkeit und der Beschleunigung

Zur Berechnung der dynamischen Leistungsfähigkeit wurden in diesem Abschnitt die

hier aufgeführten Gleichungen eingesetzt.

tva = Gl. 6-1

2* 2tas = Gl. 6-2

gungskraftBeschleunigtemasseBeschleunia =max Gl. 6-3

max

max

av

t = Gl. 6-4

Die vom Hersteller der Lineartische angegebene maximale Geschwindigkeit bei voller Last beträgt 9mm/s, das ist für die Positionierung der Detektoren eine sinnvolle Geschwindigkeit. Daraus folgt, dass die längste zurückzulegende Strecke innerhalb von ca. 35 Sekunden verfahren werden kann. Zum Anfahren einer definierten Position ist es erforderlich, dass die Geschwindigkeiten nicht zu groß sind. Durch die Trägheit des Systems wird das Anfahren einer definierten Position bei hohen Geschwindigkeiten erschwert. Als Anfahrzeit sind 0.5s eine sinnvolle Zeitspanne. Hieraus errechnet sich eine Beschleunigung von 18mm/s2. Dies bedeutet, dass eine Strecke von 2.25mm während der Beschleunigung überfahren wird. Auch dieses Ergebnis ist aus technischer Sicht gut geeignet, da bei genauer Positionierung die Beschleunigung nicht voll ausgereizt werden muss. Das hat den Vorteil, dass je nach Streckenbedarf, die Beschleunigungsphase reguliert werden kann. Der Hersteller gibt eine maximale Stellkraft von 60N an. Aus dieser Kraft und den zu beschleunigenden Massen ergibt sich eine maximale Beschleunigung von 7292 mm/s2. Bei dieser Beschleunigung würden erhebliche Verformungen der Bauteile auf Grund der eigenen Massenträgheit entstehen. Deshalb wird empfohlen, die Beschleunigung auf 18mm/s2 zu begrenzen und entsprechend die Schrittfrequenz zu regulieren. Ein weiterer


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Grund für die Begrenzung der Beschleunigung sind die aus den Verformungen auftretenden Schwingungen. Wird die Verformung minimal gehalten, werden auch die auftretenden Schwingungen minimiert.

6.3.1.2. Die Überprüfung der Belastung der Lineartische

Für die Lineartische werden vom Hersteller bestimmte maximale Belastungen

angegeben. In diesem Kapitel soll überprüft werden, ob diese Angaben überschritten

werden. Die Auflistung der relevanten Daten des Lineartisches und der realen

Belastungen mit den resultierenden Sicherheiten stehen in der Tabelle 6-1.

Die Belastungsangaben

Herstellerangaben Reale Belastungen Bezeichnung Wert Einheit Wert Einheit Resultierende

Sicherheit Bemerkung

Tragkraft 150 N 45.6 N 3.3 Maximale Last auf den ersten Lineartisch

Stellkraftmax 60 N 33.2 N 1.8 Für die maximale Beschleunigung

Stellkraftempf 60 N 0.82 N 732 Für die empfohlene Beschleunigung

Kippmoment 15 Nm 8.55 Nm 1.79 Maximale Last auf den ersten Lineartisch

Tab. 6-1: Die Belastung der Lineartische

Zur Berechnung der Sicherheit und der dynamischen Belastungen wurden hier die folgenden Gleichungen verwendet.

BelastunggrenzeBelastungsSicherheitvorhanden = Gl. 6-5

amF *= Gl. 6-6


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Wie an den Sicherheitswerten zu erkennen ist, werden die Lineartische nicht über das

vom Hersteller angegebene maximale Maß belastet. An dieser Stelle wurde nur der

Lineartisch 1 betrachtet, da dieser den größten Belastungen ausgesetzt ist. Die anderen

Lineartische der gleichen Baureihe, haben die gleichen maximalen Belastungsgrenzen,

werden aber durch wesentlich kleinere Belastungen beansprucht. Daher entfällt eine

Angabe der Ergebnisse der Berechnung der übrigen Lineartische.

6.3.1.3. Die Berechnung der maximalen Winkelauslenkung der Lineartische

Die Verformung, die durch die Lineartische ensteht, wird durch den Nickwinkel und den

Gierwinkel hervorgerufen. Diese betragen nach Herstellerangeben beim Nickwinkel

maximal 250 μrad und bei dem Gierwinkel maximal 300 μrad. Bei dem Nickwinkel

handelt es sich um die Drehung um die y-Achse, dem Gierwinkel wird als Drehachse die

x-Achse zugewiesen. Zur Berechnung werden die maximalen Winkeltoleranzen und die

dazu gehörenden Hebelarme (Abb. 6-1) angenommen. Aus der Winkelverstellung

ergeben sich die Absenkungen.

Das Bezugssystem der Lineartische

Abb. 6-1: Die Abbildung der Achsen der Lineartische in dem Bezugssystem der

Lineartischen


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Zur Berechnung der Winkelauslenkung wurde die Gleichung (Gl. 6-7) verwendet.

HebelarmAbsenkung *)tan(α= Gl. 6-7

Die Winkelauslenkung Benennung Absenkung der Detektoren in

Richtung der y-Achse Lineartisch 1 Gierwinkel (um die x – Achse) 0.0563 mm Lineartisch 1 Nickwinkel (um die y – Achse) 0.0539 mm Lineartisch 2 Gierwinkel (um die x – Achse) 0.0647 mm Lineartisch 3 Nickwinkel (um die y – Achse) 0.0310 mm Gesamtabsenkung durch die Winkelauslenkung 0.2059 mm

Tab. 6-2: Die Absenkungen der Detektoren durch die Winkelverstellung

6.3.2. Die Berechnungen der Bauteile Die statischen Berechnungen werden nur für die relevanten Bauteile ausgeführt. Das sind auf Grund der Anforderungsliste, die Verbindungselemente der Positionierung und die Abschirmung. Aus technischen Gründen wird das Tragegestell auf Knicksicherheit überprüft.

6.3.2.1. Die Berechnung der Verbindungselemente In diesem Kapitel werden mittels der statisch angreifenden Kräfte, die Massen der Bauteile und der Komponenten, die resultierenden Verformungen der Bauteile berechnet. Die Bauteile, die für die Verbindung der Lineartische vorgesehen sind, dürfen die angegebenen Verformungen in der Anforderungsliste nicht überschreiten. Die Bezeichnungen und Maße sind der Abb. 6-2 zu entnehmen. Bei dieser Betrachtung ist nur die Verformung in Richtung der y-Achse, für eine eventuelle Absenkung der Detektoren relevant. Deshalb werden nur die Verformungen in dieser Richtung betrachtet.


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Die Bezeichnungen

Abb. 6-2: Die Positionierungseinheit mit den Bezeichnungen und den Maßen


- 99 -

Der Nachweis der einzelnen Verformungen hat für die Bauteile folgende Ergebnisse

erbracht:

Die Verformungen

Benennung Verformung in y – Richtung

Beanspruchungsart

Verbindung LTM 300 ym_1 = 0.245 mm Verformung auf Grund von

Biegung, feste Einspannung

Verbindung LTM 100 Δl2 = 0.00031 mm Verformung auf Grund von

Druckkräften

Verbindung LTM 75 ym_3 = 0.042 mm Verformung auf Grund von

Biegung, feste Einspannung

Gesamtabsenkung der

Detektoren

ym_ges = 0.282 mm auf Grund der Bauteilverformung

Tab. 6-3: Die berechnete Verformungen der Verbindungselemente

Aus den Ergebnissen dieser Berechnung kann ersehen werden, dass die einzelnen

Verformungen der Bauteile die geforderten Grenzwerte nicht überschreiten. Hier zu sind

die Gleichungen 6-8, 6-9 und 6-10 angewendet worden.

IE

lFym **3* 3

= Gl. 6-8

dll ε*0=Δ Gl. 6-9

AE

Fdd *=ε Gl. 6-10


- 100 -

Für die Verbindung LTM 300 wurde die statische Sicherheit nach der hier angegebenen Gleichung (Gl. 6-11; Gl. 6-12) berechnet.

vorhanden


σσ

= Gl. 6-11

smomentWiderständ

tBiegemomenvorhanden =σ Gl. 6-12

Die Sicherheit

Benennung Statische Sicherheit Beanspruchungsart

Verbindung LTM 300 S = 11.1 Biegung

Tab. 6-4: Die berechnete Sicherheit des Verbindungselementes gegen Fließen

Aus dem Ergebnis dieser Berechnung kann man erkennen, dass die Sicherheit gegen Fließen bei den Verbindungselementen gegeben ist. Hier wurde exemplarisch das am stärksten belastete Bauteil berechnet. Auf Grund der hohen Sicherheit werden die Berechnungen für die anderen Bauteile hier nicht angegeben.

6.3.2.2. Die Berechnung der Gesamtabsenkung der Detektoren Die Gesamtabsenkung der Detektoren setzt sich aus der Absenkung der Verbindungselemente und der maximalen Winkelauslenkung der Lineartische zusammen. Die Gesamtabsenkung Benennung Die Absenkung in Richtung

der y-Achse Die Absenkung durch die Verformung der Bauteile

0.294 mm

Die Absenkung durch die Winkelauslenkung der Lineartische

0.205 mm

Die Gesamte Absenkung 0.5 mm

Tab. 6-5: Die berechnete Gesamtabsenkung der Detektoren


- 101 -

Wie die Ergebnisse zeigen, wurde in dieser Berechnung nachgewiesen, dass sich die

Detektoren um 0.5 mm absenken. Diese Absenkung überschreitet nicht das in der

Anforderungsliste geforderte Toleranzmaß.

6.3.2.3. Die Berechnung der Abschirmung

Die Berechnung der Abschirmung bezieht sich auf die angegebene Belastung in der

Anforderungsliste. Es soll nachgewiesen werden, dass die Abschirmung einer

eventuellen Zweckentfremdung standhält. Unter widrigen Umständen könnte sich ein im

Beschleuniger arbeitender Angestellter auf die Abschirmung stellen. Dieser ungewollte

Belastungsfall darf nicht zum Versagen durch Bruch führen.

Da für dieses Versagen der Deckel den höchsten Beanspruchungen ausgesetzt ist, wird

nur dieses Bauteil berechnet. Dafür sind die folgenden Gleichungen verwendet worden.

vorhanden


σσ

= Gl. 6-13

smomentWiderständ

tBiegemomenvorhanden =σ Gl. 6-14

Die Sicherheit

Benennung Max zul. Spannung Spannung Sicherheit

Neutronenabschirmung Deckel

Ca. 10 N/mm2 für das weiche PE

1.25N/mm2 8

Tab. 6-6: Die Sicherheit der Abschirmung

Die in dieser Berechnung ermittelte Sicherheit von 8, ist ausreichend.


- 102 -

6.3.2.4. Die Berechnung des Tragegestelles

Das Tragegestell wird auf die Knicksicherheit berechnet. Diese Berechnung ist wichtig,

da die Gesamtmasse des Monitors ca. 500 kg betragen wird. Außerdem kommt die

widrige Belastung von 150 kg hinzu. Bei dieser Berechnung liegt der Euler-Knickfall 2

vor. Die Befestigungspunkte der Querverbindungen und der Diagonalverbindungen des

Tragegestells werden bei dieser Berechnung vernachlässigt.

Die Sicherheit

Benennung kritische Gewichtskraft

Kritisches Gewicht

Sicherheit

Tragegestell 25039 N 2553 kg 3.9

Tab. 6-7: Die Sicherheit des Tragegestelles

Wie auch bei dieser Berechnung deutlich wird, ist die Dimensionierung des

Tragegestells ausreichend. Die Berechnung erfolgte dabei nach folgender Gleichung.

k

krit lIEF

*4**2π

= Gl. 6-15

Masse

kritvorhanden F

FSicherheit = Gl. 6-16

6.3.3. Die dynamischen Berechnungen

Das Kapitel der statischen Berechnungen hat gezeigt, dass durch die Eigenlasten keine

zu berücksichtigenden Verformungen an den Bauteilen auftreten und alle relevanten

Komponenten einen ausreichenden Sicherheitsbeiwert aufweisen. Nun müssen noch die

dynamischen Belastungen überprüft werden.


- 103 -

Beim Verfahren der Detektoren im Proton – Emittanz – Monitor sind die empfohlenen

Beschleunigungen sehr gering, deshalb treten wahrscheinlich nur sehr kleine Kräfte auf.

Die durch die Beschleunigungskräfte hervorgerufenen Verformungen werden gegenüber

den statischen Belastungen sehr gering ausfallen. Aus diesem Grund können diese

wahrscheinlich vernachlässigt werden. Deshalb werden an dieser Stelle nur die am

höchsten belasteten Komponenten berechnet.

Außerdem sind die meisten Bauteile in Richtung der Beschleunigung ausgerichtet, so

dass diese nur durch Zug bzw. Druck belastet werden. Wie schon bei der Berechnung

der statischen Verformungen zu sehen ist, sind die durch Druck und Zug

hervorgerufenen Verformungen im Verhältnis zu den durch die Biegebeanspruchungen

hervorgerufenen Verformungen sehr klein. Dieses Ergebnis ist ein weiterer Grund,

warum die dynamischen Belastungen zu vernachlässigen sind.

Die dynamische Beanspruchung

Benennung Dynamische Belastung durch die empfohlene Beschleunigung

Verformung durch die dynamischen Beanspruchungen

Beanspru-chungsart

Kraft und

Biegemoment am

Hebelarm 1

Fdyn_1 = 0.0837 N

Mdyn_1= 0.0157 Nm

ym_1_dyn = 0.00045 mm Beschleunigungskraft

und resultierendes

Biegemoment um die

y-Achse des

Lineartisch 1

Tab. 6-8: Die dynamische Beanspruchung bei empfohlener Beschleunigung


- 104 -

Die dynamische Beanspruchung

Benennung Dynamische Belastung durch die maximale Beschleunigung

Verformung durch die dynamischen Beanspruchungen

Beanspru-chungsart

Kraft und

Biegemoment am

Hebelarm 1

Fdyn_1 = 34.65 N

Mdyn_1= 6.5 Nm

ym_1_dyn = 0.1865 mm Beschleunigungskraft

und resultierendes

Biegemoment um die

y-Achse des

Lineartisch 1

Tab. 6-9: Die dynamischen Beanspruchung bei maximaler Beschleunigung

Die Berechnung zeigt, dass die Kräfte und die Verformungen bei empfohlener

Beschleunigung zu vernachlässigen sind. Im Gegensatz zu den Kräften und den

Verformungen, die durch die maximale Beschleunigung hervorgerufen werden. Deshalb

wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Beschleunigung zu begrenzen ist.

6.3.4. Die Berechnung des Temperatureinflusses

Da in dem Beschleunigertunnel höhere Temperaturen zu erwarten sind, als im Bereich

der normalen Laborumgebung, muss überprüft werden, ob die dadurch entstehende

Längenänderungen der Bauteile einen Einfluss auf die Funktionalität der Positionierung

der Detektoren hat. Bei der Berechnung wird nur die eindimensionale Längenänderung

in Richtung der x- Achse berücksichtigt, weil diese die Ausschlaggebende ist. Es wird

davon ausgegangen, dass die Temperatur in der Fertigung bei Raumtemperatur liegt.

Das entspricht einer Temperatur von 20°C. Im Bereich des Beschleunigertunnels

werden höhere Temperaturen erwartet. Da die betreffenden Bauteile sich innerhalb der

Abschirmung befinden und diese durch Peltier – Kühlelemente klimatisiert wird, ist von

einer inneren Temperatur der Abschirmung von maximal 50°C auszugehen. Diese

Temperatur sollte nicht überschritten werden, da sonst die Detektoren Schaden nehmen


- 105 -

können. Deshalb wird diese Temperatur für die nachfolgende Berechnung zu Grunde

gelegt.

Die eindimensionale Längenänderung des längsten Verbindungselementes beträgt bei

dieser Temperaturdifferenz nach der Gleichung:

Tll Δ=Δ **0 α Gl. 6-17

Die Längenänderung

Benennung Temperaturdifferenz Längen- änderung

Verbindung LTM300 30 K mml 0428.0=Δ

Tab. 6-10: Die Überprüfung der Längenänderung

Durch diese Längenänderung werden keine Probleme bei der Positionierung der

Detektoren erwartet.

Bei den Verbindungselementen ist davon auszugehen, dass sich weder die Verformung

noch die Festigkeitswerte durch die Temperaturdifferenz erheblich auf die Positionierung

der Detektoren auswirken.

Eine Problemstellung, die auf Grund mangelnder Angaben nicht berechnet werden

kann, sind die Lineartische. Bei diesen Komponenten werden verschiedene

Materialpaarungen eingesetzt. Da aber die Temperaturdifferenz gering ist, wird davon

ausgegangen, dass es zu keinen Problemen wie zum Beispiel dem Festsetzen der

Spindel oder größeren Verschiebungen auf Grund der Erwärmung kommt.

Kapitel 7: Die Produktdokumentation ______________________________________________________________________

- 106 -

7. Die Produktdokumentation

Dieses Kapitel soll einen abschließenden Blick auf die konstruierte Nachweisende

Funktionsgruppe geben. Hier werden zum Teil die Fertigungsunterlagen dargestellt und

neben der Montageanleitung die zum Betrieb erforderliche Betriebsanweisung. Auf die

Darstellung der technischen Zeichnungen wird aus Platzgründen verzichtet. Eine

isometrische Ansicht der Bauteile ist an dieser Stelle ausreichend, um einen Überblick

über die Form und Ausdehnung der Bauteile und Komponenten zu bekommen. Eine

ebenfalls isometrische Ansicht einer Baugruppe soll einen Ausblick über den Umfang

und die Funktionsweise der Baugruppe geben. Exemplarisch wird nur eine der

Stücklisten für eine Baugruppe abgebildet.

7.1. Die Fertigungsunterlagen

Zu den Fertigungsunterlagen gehören neben den Einzelteilzeichnungen und den

Baugruppenzeichnungen auch die Stücklisten. Wie in der Einleitung dieses Kapitels

erwähnt, wird auf die vollständige Abbildung dieser Unterlagen verzichtet. Die

Einzelteilzeichnungen, Baugruppenzeichnungen und Stücklisten sind dem Anhang

beigefügt.

7.1.1. Die Abbildung der Bauteile

In diesem Abschnitt werden exemplarisch die verwendeten Bauteile der

Neutronenabschirmung einmalig abgebildet. Es wurden zur besseren Übersicht

verschiedene Ansichten gewählt. Aus Darstellungsgründen können keine Angaben zu

den Maßstäben gemacht werden. Deshalb sind die realen Größenverhältnisse den

technischen Zeichnungen im Anhang zu entnehmen. Diese Abbildungen dienen dem

besseren Verständnis und sind keine normgerechten Fertigungsunterlagen.


- 107 -

Die Bauteile der Neutronenabschirmung

Bauteile der Baugruppe A: Die Neutronenabschirmung Blatt 1 von 3

Abb. 7-1: Die isometrische Ansicht des Bodens


- 108 -


Abb. 7-2: Die isometrische Ansicht der Wand


- 109 -


Abb. 7-3: Die isometrische Ansicht des Stirn

Einlass

Abb. 7-4: Die isometrische Ansicht der

Stirn Rückseite

Abb. 7-5: Die isometrische Ansicht des Deckels

Form 1

Abb. 7-6: Die isometrische Ansicht des

Deckels Form 2


- 110 -

7.1.2. Die Abbildung der Baugruppe

Die Abbildung der Baugruppen ist ähnlich aufgebaut wie die Abbildung der Bauteile. Hier

wird die isometrische Ansicht der Neutronenabschirmung ebenfalls ohne Angabe des

Maßstabes präsentiert.

Die Baugruppe

Abb. 7-7: Die Abbildung der Baugruppe Neutronenabschirmung


- 111 -

7.1.3. Die Stückliste

Stellvertretend für alle Stücklisten wird hier die Stückliste der Baugruppe Positionierung abgebildet. Diese ist sehr zweckmäßig, da in dieser die verschiedenen Materialarten aufgeführt werden, wie Bauteile, Normteile und Kaufteile. Die Stückliste

Abb. 7-8: Die Stückliste der Baugruppe Positionierung


- 112 -

7.1.4. Die Abbildung des Gesamtproduktes

Die Form der Darstellung ist an den vorhandenen Platz dieser Diplomarbeit angepasst.

Das Gesamtprodukt wird hier ebenfalls nur präsentiert. Diese Darstellungsform dient der

Produkterläuterung. Neben den CAD – Modellen sind Fotografien der bisher montierten

Nachweisenden Funktionsgruppe abgebildet.

Das Gesamtprodukt

Abb. 7-9: Das CAD – Modell des Gesamtproduktes, Abbildung von schräg vorne, oben

Ring Außenseite

Vorne


- 113 -

Das Gesamtprodukt

Abb. 7-10: Das CAD – Modell des Gesamtproduktes, Abbildung von seitlich schräg

Abb. 7-11: Das CAD – Modell des Gesamtproduktes, Abbildung von schräg oben

Ring Außenseite

Vorne

Ring Außen-seite

Vorne


- 114 -

Das Gesamtprodukt

Abb. 7-12: Die Fotografie des Gesamtproduktes, Abbildung von schräg oben und vorne

Abb. 7-13: Die Fotografie des Gesamtproduktes, Abbildung von schräg vorne

Ring Außenseite

Vorne

Vorne

Ring Außenseite


- 115 -

7.2. Die Montageanleitung

Die Montageanleitung dient der Fertigung zum Zusammenbau der Bauteile und

Komponenten. Nach der Herstellung der Bauteile, der Beschaffung der Komponenten

und Erhalt der extern gefertigten Bauteile wird anhand dieser Anleitung die

Nachweisende Funktionsgruppe montiert.

Die Montageanleitung

Montageanleitung Blatt 1 von 2

Schritt 1 Montage der Neutronenabschirmung

• der gesamte Aufbau ist zwecks späteren Transportes auf einer

Europalette zu platzieren

• die Bauteile der Neutronenabschirmung sind gemäß der

Baugruppenzeichnung zu montieren, der Deckel muss geöffnet

bleiben

• die Angaben für das zur Montage benötigte Material, wie die

Normalien, ist der Stückliste zu entnehmen

• zur Montage der Neutronenabschirmung werden folgende

Werkzeuge benötigt:

o Sechskant – Kugelkopfschraubendreher für

Innensechskantschrauben Größe 3 und 4

Schritt 2 Montage der Gammaabschirmung

• der Boden ist in die Neutronenabschirmung einzulegen

• die Seitenwände, Form 1 und Form 2, sind an der

Neutronenabschirmung zu verschrauben. Das zur Montage

benötigte Material, wie die Normalien, ist der Stückliste zu

entnehmen

• die Stirnseiten und mittleren Wandteile sind in die dafür

vorgesehenen Nuten einzuschieben

• der Deckel muss geöffnet bleiben

• zur Montage der Gammaabschirmung werden Werkzeuge benötigt:

o Sechskant – Kugelkopfschraubendreher für

Innensechskantschrauben Größe 3 und 4


- 116 -

Montageanleitung Blatt 2 von 2

Schritt 3 Montage der Positionierungseinheit und der Filterräder • die Positionierungseinheit ist gemäß der Baugruppenzeichnung zu

montieren, der Hubtisch für die Filterräder ebenfalls • nach Abschluss der Montage beider Baugruppen sind diese in der

Abschirmung in die dafür vorgesehenen Bohrungen zu befestigen • zur Montage der Positionierungseinheit und des Hubtisches werden

folgende Werkzeuge benötigt: o Sechskant – Kugelkopfschraubendreher für

Innensechskantschrauben Größe 3 und 4 Schritt 4 Montage der Anbauteile • die Anbauteile sind mit den vorgesehenen Steckern zu bestücken,

diese sind der Stückliste zu entnehmen, die Position der Stecker ist in der Bauteilzeichnung ersichtlich

• die Energieleitungen und Signalleitungen sind in die dafür vorgesehenen Öffnungen einzuführen

• die Anbauteile sind außerhalb und innerhalb der Abschirmung an den vorgegebenen Positionen anzubringen und mit den entsprechenden Leitungen zu verbinden

• zur Montage werden folgende Werkzeuge benötigt: o Sechskant – Kugelkopfschraubendreher für

Innensechskantschrauben Größe 3 und 4 Schritt 5 Abschließende Montage • die Griffe sind an den dafür vorgesehenen Deckeln zu montieren

• zur Montage der Griffe werden folgende Werkzeuge benötigt: o Sechskant – Kugelkopfschraubendreher für

Innensechskantschrauben Größe 3 und 4 • die Deckel der Gammaabschirmung sind einzulegen, hierfür werden

keine Werkzeuge benötigt • die Deckel der Neutronenabschirmung sind einzulegen, hierfür

werden ebenfalls keine Werkzeuge benötigt Schritt 6 Transportvorbereitung • die montierte Nachweisende Funktionsgruppe ist auf der

Europalette transportsicher zu befestigen

Tab. 7-1: Die Montageanleitung für die Nachweisende Funktionsgruppe


- 117 -

7.3. Die Betriebsanweisung

Die Betriebsanweisung dient dem verantwortlichen Personal als Kenntnisgrundlage über

den Monitor.

Die Betriebsanweisung

Betriebsanweisung Tätigkeit:

Instandhaltung und Wechsel von Komponenten

am Proton – Emittanz – Monitor in HERA

Gruppe/Bereich: MDI Blatt 1 von 2

Anwendungsbereich • Diese Betriebsanweisung gilt für die Mitarbeiter der Gruppe MDI.

• Allen anderen Personen ist es untersagt, Instandhaltungsarbeiten oder

Komponentenwechsel an dem Proton – Emittanz – Monitor durchzuführen.

Gefahren für Mensch und Umwelt • Verletzungsgefahr durch Rotierende Teile (Wellen, Spindeln, Lüfter)

• Gefährdung durch elektrischen Strom, insbesondere bei Beschädigung der

stromführenden Leitungen

• Gefährdung durch Bleiwerkstoffe

Schutzmaßnahmen und Verhaltensregeln • Bevor Arbeiten an dem Protonen – Emittanz – Monitor ausgeführt werden, ist

dieser vollständig von der Energiezufuhr zu trennen

Verhalten bei Störung • Gerät abschalten, gegen Wiedereinschalten sichern

• Im Brandfall den Technischen Notdienst Tel: 2500 alarmieren

• Mitarbeiter warnen, Löschmaßnahmen ohne Eigengefährdung durchführen


- 118 -

Betriebsanweisung Tätigkeit:

Instandhaltung und Wechsel von Komponenten

am Proton – Emittanz – Monitor in HERA

Gruppe/Bereich: MDI Blatt 2 von 2

Verhalten bei Unfällen / Erste Hilfe • Gerät abschalten.

• Verletzten aus dem Gefahrenbereich retten.

• Selbstschutz des Ersthelfers beachten.

• Unfall beim Technischen Notdienst Tel: 2500 melden und Ersthelfer hinzuziehen.

• Unfallstelle nicht verändern.

• Erste Hilfe leisten.

• Bei kleinen Verletzungen Eintrag ins Verbandbuch.

Instandsetzung / Entsorgung • Instandsetzung nur durch beauftragte und sachkundige Person von MDI.

• Reinigen, Abschmieren usw. nur bei abgeschaltetem Gerät.

• Reststoffe umweltgerecht nach betrieblicher Anweisung entsorgen,

Anfragen an -D5- Tel.:2865.

Ersteller: M. Borchard Datum: 31.08.2005 Nächste Überprüfung:

Abb. 7-14: Die Betriebsanweisung für den Proton – Emittanz – Monitor

Kapitel 8: Das Fazit und Ausblick ______________________________________________________________________

- 119 -

8. Fazit und Ausblick Die konstruierte Nachweisende Funktionsgruppe erfüllt die an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich der Qualität und der Funktionalität vollständig. Als Qualität ist hier die Verbesserung der Abbildungsqualität, die Lichtundurchlässigkeit, die geometrischen Abmessungen und die ausgewählten Herstellungsverfahren sowie die Montierbarkeit zu betrachten. Die Funktionalität beschreibt das Verfahren der Detektoren unter den geforderten Toleranzbedingungen und Wegstrecken, die Bereitstellung der Filter sowie die online Signalübertragung. Der Einbau in den Teilchenbeschleuniger HERA kann, wie geplant, während des Shutdowns9 im November stattfinden. Die durch den Monitor erwartete Effizienzsteigerung setzt sich aus folgenden Faktoren zusammen: Erstens verkürzt sich die Ermittlung der optimalen Detektorpositionen und der dafür benötigten Einstellzeit um ca. 40 Minuten. Zweitens wird hinsichtlich der Filterauswahl und Anzahl der zur Verfügung stehenden Filter die zum Wechseln der Filter benötigte Zeit um ca. 30 Minuten reduziert. Drittens wird es durch die Fernsteuerbarkeit des Systems nun möglich, alle nötigen Einstellungen der Detektoren und Filter online, während des Beschleunigerbetriebs, durchzuführen. Dies war zuvor nicht möglich und musste an Wartungstagen10 umgesetzt werden. Durch diese drei Faktoren wird eine geldliche Einsparung in fünfstelliger Höhe pro Jahr erwartet. Das Verbesserungspotential des Protonen – Emittanz – Monitors ist zum Teil in der Schnittstelle zwischen der Optischen Funktionsgruppe und der Nachweisenden Funktionsgruppe vorhanden. Die Aufhängung der lichtundurchlässigen Strahlzuführung und die entsprechenden Verbindungsflansche zwischen den Rohrteilstücken weisen noch Verbesserungspotential hinsichtlich der Lichtundurchlässigkeit und der Montierbarkeit bei Wartungsarbeiten auf. Ein weiterer Punkt, welcher einer Optimierung unterzogen werden kann, ist die Reduzierung Freiheitsgrade des Gesamtsystems. In der Optischen Funktionsgruppe werden zur Strahlumlenkung bewegliche Spiegelgruppen eingesetzt. Dadurch besitzt das Gesamtsystem erhebliche Freiheitsgrade. Diese führen zu einer unnötig hohen Justagekomplexität, da die Funktion der drehbar gelagerten Spiegel zum Teil durch die Funktionserweiterung der Nachweisenden Funktionsgruppe übernommen wurde.

9 Jährlicher auftretender Zeitraum in dem der Beschleuniger für Wartungs- und Installationsarbeiten abgeschaltet wird. Dauer ca. 2-3 Monate 10 Monatlich auftretender Wartungstag zur Wartung der Maschine und der Geräte. Dauer max 24 Std.

- 120 -

Kapitel V: Das Quellenverzeichnis ______________________________________________________________________

- 121 -

V. Quellenverzeichnis [1] Vgl.: http://www.desy.de/html/ueberdesy/ueber1.html

[2] Vgl.: http://www.desy.de/html/forschung/forschung.html

[3] Vgl.: http://desyntwww.desy.de/mdi/

[4] Vgl.: http://www.desy.de/html/forschung/teilchenbeschleuniger.html

[5] K. Wille / Physik der Teilchenbeschleuniger und Synchrotronstrahlungsquellen /

Teubner 1992 / S.35

[6] http://de.wikipedia.org/wiki/Synchrotronstrahlung

[7]Vgl.: Wladimir Hain / Neutronenabschirmung in HERA / DESY PKTR-Note: 43

[8]Vgl.: Eugen Sauter / Grundlagen des Strahlenschutzes / Siemens AG 1971

[9] Gerhard Pahl ,Wolfgang Beitz / Konstruktionslehre, Methoden und Anwendung / 4.

Auflage1997 / Springer Verlag / S. 167 ff

[10] Gerhard Pahl ,Wolfgang Beitz / Konstruktionslehre, Methoden und Anwendung / 4.

Auflage1997 / Springer Verlag / S. 201 ff

[11] Klaus Ehrlenspiel / Integrierte Produktentwicklung / 2. Auflage 2003 / Hanser Verlag

/ S.456

[12] Klaus Ehrlenspiel / Integrierte Produktentwicklung / 2. Auflage 2003 / Hanser Verlag

/ S. 458

[13] Erich Rummich / Elektrische Schrittmotoren und –antriebe / expert Verlag /

2.Auflage / S.100 ff

Kapitel V: Das Quellenverzeichnis ______________________________________________________________________

- 122 -

[14] Herbet Bernstein / Sensoren und Messelektronik / Pflaum Verlag, 1998/ S. 227

[15] Horst Engels / CAN – Bus / Franzis` Verlag GmbH 2000

[16] S. O. Flynckt, C. Mormonier / Photomultiplier tubes / Principles and applications /

Photonics September 2002

[17] Horst Kuchling / Taschenbuch der Physik / 16. Auflage 1996 / Fachbuchverlag

Leipzig / S. 490

[18] Roloff / Matek / Maschinenelemente / 15. Auflage, August 2001/ vieweg Verlag

[19] Jürgen Dankert und Helga Dankert / Technische Mechanik / 3. Auflage Januar 2004

/ Teubner Verlag

Kapitel VI: Der Anhang ______________________________________________________________________

- 123 -

VI. Anhang

Der Anhang befindet sich in dem beiliegenden Ordner oder auf der beiliegenden CD.

A. Der Anhang aus der Konzeptphase

a. Paarweiservergleich der Bewertungskriterien und Bewertung der Teilfunktionen und Unterfunktionen anhand der Bewertungskriterien

B. Der Anhang der Funktionsbeschreibung

a. Die Produktdokumentation der eingesetzten Komponenten und die entsprechenden Handbücher

C. Der Anhang der Konstruktion

a. Die Berechnungen der Komponenten und der Bauteile

D. Der Anhang der Produktdokumentation

a. Die Fertigungsunterlagen

Inhaltsverzeichnis des Anhangs Diplomarbeitsthema: Auslegung und Konstruktion eines Proton – Emittanz – Monitors Hamburg, September, 2005 Angaben in Klammern für die Daten-CD A Konzeptphase Die Bewertungskriterien (Anhang\A_Konzeptphase\Bewertung.pdf) Die Bewertung der Teil- und Unterfunktionen (Anhang\A_Konzeptphase\Bewertung.pdf) B Funktionsbeschreibung

Die Lineartische (Anhang\B_Funktionsbeschreibung\1_Die_OWIS_Podukte\LTM_80.pdf) Die Schrittmotoren

(Anhang\B_Funktionsbeschreibung\1_Die_OWIS_Podukte\st4018.pdf) (Anhang\B_Funktionsbeschreibung\1_Die_OWIS_Podukte\Nanotec-Kennlinie.pdf)

Die Filterräder C:\Borchard\privat_dateien\Abgabe\Anhang\B_Funktionsbeschreibung\ 1_Die_OWIS_Podukte\GHdt.pdf – Seite 70 / 71)

Die Endstufen (Anhang\B_Funktionsbeschreibung\2_Die Endstufen) Der Photomultiplier (Anhang\B_Funktionsbeschreibung\3_Der_Photomultiplier)

Die Kamera (Anhang\B_Funktionsbeschreibung\4_Die_Kamera)

Die Peltier – Elemente (Anhang\B_Funktionsbeschreibung\5_Die_Peltier) C Konstruktion Die Berechnung der Komponenten und Bauteile (Anhang\C_Konstruktionsphase\Mathcad_Berechnungen.pdf) D Produktdokumentation Baugruppe A: Neutronenabschirmung

(Anhang\D_Produktdokumentation\Baugr_A_Neutr) Baugruppe B: Gammaabschirmung (Anhang\D_Produktdokumentation\Baugr_B_Gamma) Baugruppe C: Positionierung (Anhang\D_Produktdokumentation\Baugr_C_Positi) Baugruppe D: Sensoren (Anhang\D_Produktdokumentation\Baugr_D_Sensor) Baugruppe E: Hubtisch (Anhang\D_Produktdokumentation\Baugr_E_Hubtisch) Baugruppe F: Anbauteile (Anhang\D_Produktdokumentation\Baugr_F_Anbauteile) Baugruppe G: Tragegestell (Anhang\D_Produktdokumentation\Baugr_G_Gestell)

Lfd. Nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Kriterium

Abm

essu

ngen

Verw

endu

ng a

lter

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Frem

dlic

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War

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Posi

tioni

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gs-

gena

uigk

eit

Kost

en

Stan

dard

isie

rung

Ferti

gung

1Abmessungen ------ 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2Verwendung alter Anschlüße 0 ------ 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0

3Fremdlichteinfall 0 0 ------ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4Erschütterungs- empfindlichkeit 0 0 1 ------ 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0

5Verfahrwege 0 0 1 1 ------ 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0

6Detektor wechsel 0 0 1 1 0 ------ 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0

7Geschwindig-keiten 1 1 1 1 1 1 ------ 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

8Beschleunigungen 1 1 1 1 1 1 1 ------ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

9Montage 0 0 1 0 1 0 0 0 ------ 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1

10Energieversorgung 1 0 1 1 1 1 0 0 0 ------ 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1

11Strahlungsschutz 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 ------ 0 1 0 0 1 1 0 0 0

12Kühlung 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 ------ 0 1 0 1 1 0 0 0

13Ansteuerung 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 ------ 1 1 1 1 1 1 0

14Sicherheit 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 ------ 0 0 1 0 0 0

15Transport 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 ------ 1 1 0 0 0

16Wartung 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 ------ 1 0 0 0

17Positionieruns- genauigkeit 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ------ 0 0 0

18Kosten 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 ------ 1 1

19Standartisierung 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 ------ 0

20Fertigung 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 ------

Summe3 6 19 14 13 11 1 0 9 6 13 13 7 16 9 12 17 5 7 6

Gesamt Summe der vergebenen Wertigkeiten 181

Faktor0,02 0,03 0,1 0,08 0,07 0,06 0,01 0 0,05 0,03 0,07 0,07 0,04 0,09 0,05 0,07 0,09 0,03 0,04 0,03

Prozent1,66 3,31 10,5 7,73 7,18 6,08 0,55 0 4,97 3,31 7,18 7,18 3,87 8,84 4,97 6,63 9,39 2,76 3,87 3,31

Wertigkeit

4-sehr gut 3-gut 2-mäßig 1-ungenügend 0-nicht bewertet

Variante für Tf 1 / Position-ierung der Detektoren G

onio

met

er

Line

artis

ch

Line

arm

otor

Heb

etis

ch

Zylin

der

Kriterium Faktor (F) Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

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ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

1 Abmessungen 0,0166 2 0,03 3 0,05 4 0,07 2 0,03 2 0,03

2Verwendung alter Anschlüße 0,0331 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3 Fremdlichteinfall 0,1050 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4Erschütterungs- empfindlichkeit 0,0773 4 0,31 4 0,31 3 0,23 2 0,15 2 0,15

5 Verfahrwege 0,0718 1 0,07 4 0,29 4 0,29 2 0,14 3 0,22

6 Detektor wechsel 0,0608 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

7 Geschwindig-keiten 0,0055 1 0,01 3 0,02 4 0,02 2 0,01 2 0,01

8 Beschleunigungen 0,0000 1 0 3 0 4 0 2 0 3 0

9 Montage 0,0497 2 0,1 3 0,15 2 0,1 2 0,1 2 0,1

10 Energieversorgung 0,0331 4 0,13 4 0,13 4 0,13 4 0,13 2 0,07

11 Strahlungsschutz 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

12 Kühlung 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

13 Ansteuerung 0,0387 2 0,08 4 0,15 2 0,08 3 0,12 2 0,08

14 Sicherheit 0,0884 3 0,27 3 0,27 2 0,18 1 0,09 2 0,18

15 Transport 0,0497 4 0,2 4 0,2 4 0,2 4 0,2 4 0,2

16 Wartung 0,0663 1 0,07 4 0,27 2 0,13 2 0,13 2 0,13

17Positionieruns- genauigkeit 0,0939 4 0,38 4 0,38 4 0,38 2 0,19 2 0,19

18 Kosten 0,0276 1 0,03 4 0,11 1 0,03 3 0,08 2 0,06

19 Standartisierung 0,0387 1 0,04 4 0,15 1 0,04 1 0,04 1 0,04

20 Fertigung 0,0331 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Bewertung 31 1,7 51 2,47 41 1,87 32 1,42 31 1,45

Auswahl 3 1 2 4 5

4-sehr gut 3-gut 2-mäßig 1-ungenügend 0-nicht bewertet Variante für

Tf 2/ Position-ierungs-steuerung Tw

in L

ine

Posi

tioni

er

steu

erun

g

Uni

vers

elle

M

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steu

erun

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Schr

ittm

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steu

erun

g

Pneu

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g

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isch

e Sp

eich

erun

g


ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

1 Abmessungen 0,0166 3 0,05 2 0,03 3 0,05 2 0,03 1 0,02



4Erschütterungs- empfindlichkeit 0,0773 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

5 Verfahrwege 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0


7 Geschwindig-keiten 0,0055 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0


9 Montage 0,0497 4 0,2 3 0,15 4 0,2 2 0,1 2 0,1



12 Kühlung 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

13 Ansteuerung 0,0387 4 0,15 3 0,12 4 0,15 1 0,04 1 0,04

14 Sicherheit 0,0884 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

15 Transport 0,0497 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

16 Wartung 0,0663 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0


18 Kosten 0,0276 2 0,06 1 0,03 4 0,11 2 0,06 1 0,03


20 Fertigung 0,0331 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Bewertung 21 0,91 16 0,69 27 1,18 13 0,61 9 0,44

Auswahl 2 1


Variante für Tf 3/ Detektor- wechsel Li

near

verfa

hren

(L

inea

rtisc

h)

Rot

atio

n (K

onst

rukt

ion)

Stra

hlum

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ung


ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

1 Abmessungen 0,0166 3 0,05 4 0,07 1 0,02

2Verwendung alter Anschlüße 0,0331 0 0 0 0 0 0

3 Fremdlichteinfall 0,1050 0 0 0 0 0 0

4Erschütterungs- empfindlichkeit 0,0773 3 0,23 3 0,23 1 0,08

5 Verfahrwege 0,0718 3 0,22 4 0,29 2 0,14

6 Detektor wechsel 0,0608 3 0,18 4 0,24 4 0,24

7 Geschwindig-keiten 0,0055 2 0,01 1 0,01 4 0,02

8 Beschleunigungen 0,0000 2 0 3 0 4 0

9 Montage 0,0497 3 0,15 2 0,1 1 0,05

10 Energieversorgung 0,0331 4 0,13 4 0,13 4 0,13

11 Strahlungsschutz 0,0718 0 0 0 0 0 0

12 Kühlung 0,0718 0 0 0 0 0 0

13 Ansteuerung 0,0387 4 0,15 4 0,15 2 0,08

14 Sicherheit 0,0884 4 0,35 3 0,27 0 0

15 Transport 0,0497 4 0,2 4 0,2 3 0,15

16 Wartung 0,0663 4 0,27 3 0,2 1 0,07

17Positionieruns- genauigkeit 0,0939 4 0,38 2 0,19 2 0,19

18 Kosten 0,0276 4 0,11 3 0,08 1 0,03

19 Standartisierung 0,0387 4 0,15 1 0,04 1 0,04

20 Fertigung 0,0331 0 0 0 0 0 0

Bewertung 51 2,59 45 2,19 31 1,23

Auswahl 1 2

4-sehr gut 3-gut 2-mäßig 1-ungenügend 0-nicht bewertet Variante für

Tf 4/ Filter- wechsel Li

near

verfa

hren

(L

inea

rtisc

h)

Rot

atio

n (F

ilter

rad)

Stra

hlum

lenk

ung


ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

1 Abmessungen 0,0166 3 0,05 4 0,07 1 0,02



4Erschütterungs- empfindlichkeit 0,0773 3 0,23 3 0,23 1 0,08

5 Verfahrwege 0,0718 3 0,22 4 0,29 2 0,14

6 Detektor wechsel 0,0608 3 0,18 4 0,24 4 0,24

7 Geschwindig-keiten 0,0055 2 0,01 1 0,01 4 0,02


9 Montage 0,0497 3 0,15 4 0,2 1 0,05



12 Kühlung 0,0718 0 0 0 0 0 0

13 Ansteuerung 0,0387 4 0,15 4 0,15 2 0,08

14 Sicherheit 0,0000 4 0 4 0 0 0

15 Transport 0,0497 4 0,2 4 0,2 3 0,15

16 Wartung 0,0663 4 0,27 4 0,27 1 0,07


18 Kosten 0,0276 4 0,11 4 0,11 1 0,03


20 Fertigung 0,0331 0 0 0 0 0 0

Bewertung 51 2,23 55 2,43 31 1,23

Auswahl 2 1


Variante für Tf 5/ Steuerung des Filter-wechsel Tw

in L

ine

Posi

tioni

er-

steu

erun

g

Uni

vers

elle

Mot

orst

euer

ung

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steu

erun

g


ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

1 Abmessungen 0,0166 3 0,05 2 0,03 3 0,05



4Erschütterungs- empfindlichkeit 0,0773 0 0 0 0 0 0

5 Verfahrwege 0,0718 0 0 0 0 0 0

6 Detektor wechsel 0,0608 0 0 0 0 0 0

7 Geschwindig-keiten 0,0055 0 0 0 0 0 0


9 Montage 0,0497 4 0,2 3 0,15 4 0,2



12 Kühlung 0,0718 0 0 0 0 0 0

13 Ansteuerung 0,0387 4 0,15 3 0,12 4 0,15

14 Sicherheit 0,0884 0 0 0 0 0 0

15 Transport 0,0497 0 0 0 0 0 0

16 Wartung 0,0663 0 0 0 0 0 0


18 Kosten 0,0276 2 0,06 1 0,03 4 0,11


20 Fertigung 0,0331 0 0 0 0 0 0

Bewertung 21 0,91 16 0,69 27 1,18

Auswahl 2 1


Variante für Tf 6 / Position-ierung der Filter H

ebet

isch

Line

artis

ch

Keilv

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g

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ertu

ng (B

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ng (B

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=B*F

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ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

1 Abmessungen 0,0166 4 0,07 3 0,05 4 0,07 2 0,03 2 0,03




5 Verfahrwege 0,0718 4 0,29 3 0,22 3 0,22 2 0,14 2 0,14


7 Geschwindig-keiten 0,0055 1 0,01 3 0,02 4 0,02 2 0,01 2 0,01


9 Montage 0,0497 4 0,2 3 0,15 4 0,2 2 0,1 2 0,1



12 Kühlung 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

13 Ansteuerung 0,0387 4 0,15 3 0,12 4 0,15 3 0,12 2 0,08

14 Sicherheit 0,0884 4 0,35 3 0,27 4 0,35 1 0,09 2 0,18

15 Transport 0,0497 4 0,2 3 0,15 4 0,2 4 0,2 4 0,2

16 Wartung 0,0663 4 0,27 3 0,2 4 0,27 2 0,13 2 0,13


18 Kosten 0,0276 4 0,11 3 0,08 3 0,08 3 0,08 2 0,06


20 Fertigung 0,0331 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Bewertung 49 2,57 43 1,99 51 2,32 32 1,42 30 1,38

Auswahl 1 3 2 4 5


Variante für Tf 7 Uf1 / Neutronen- abschirmung Te

tra -

Boro

xid

Tetra

- Bo

rkab

id

Poly

ätyl

en

Para

fin

Was

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ng (B

)

=B*F

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ng (B

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=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

1 Abmessungen 0,1050 0 0 0 0 0 0 0 0 0


3 Fremdlichteinfall 0,0718 4 0,29 4 0,29 4 0,29 4 0,29 1 0,07


5 Verfahrwege 0,0055 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0




9 Montage 0,0718 4 0,29 4 0,29 4 0,29 4 0,29 1 0,07

10 Energieversorgung 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0 0

11 Strahlungsschutz 0,0387 4 0,15 3 0,12 2 0,08 2 0,08 1 0,04

12 Kühlung 0,0884 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

13 Ansteuerung 0,0497 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

14 Sicherheit 0,0663 3 0,2 3 0,2 3 0,2 3 0,2 1 0,07

15 Transport 0,0939 3 0,28 3 0,28 3 0,28 3 0,28 4 0,38

16 Wartung 0,0276 4 0,11 4 0,11 4 0,11 4 0,11 1 0,03

17Positionieruns- genauigkeit 0,0387 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

18 Kosten 0,0331 2 0,07 2 0,07 3 0,1 3 0,1 4 0,13


20 Fertigung 0,0331 4 0,13 2 0,07 3 0,1 2 0,07 1 0,03

Bewertung 36 1,92 30 1,7 31 1,72 30 1,69 16 0,92

Auswahl 1 2


Variante für Tf 7 Uf2 / Gamma- abschirmung Bl

ei

Beto

n

Was

ser

Wol

fram

Eise

n


ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

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ng (B

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=B*F

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ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

1 Abmessungen 0,0166 3 0,05 2 0,03 1 0,02 4 0,07 2 0,03




5 Verfahrwege 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0




9 Montage 0,0497 4 0,2 2 0,1 1 0,05 4 0,2 4 0,2

10 Energieversorgung 0,0331 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

11 Strahlungsschutz 0,0718 3 0,22 2 0,14 1 0,07 4 0,29 2 0,14

12 Kühlung 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

13 Ansteuerung 0,0387 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

14 Sicherheit 0,0884 2 0,18 3 0,27 4 0,35 3 0,27 3 0,27

15 Transport 0,0497 3 0,15 2 0,1 4 0,2 3 0,15 3 0,15

16 Wartung 0,0663 4 0,27 4 0,27 1 0,07 4 0,27 4 0,27


18 Kosten 0,0276 4 0,11 4 0,11 4 0,11 1 0,03 3 0,08


20 Fertigung 0,0331 3 0,1 2 0,07 1 0,03 3 0,1 4 0,13

Bewertung 37 2,07 30 1,85 23 1,44 34 2,05 33 1,96

Auswahl 1 2

4-sehr gut 3-gut 2-mäßig 1-ungenügend 0-nicht bewertet Variante für Tf

8 / Schwingungs-dämpfung Pn

eum

atis

che

Isol

atio

n

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ng (B

)

=B*F

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ng (B

)

=B*F

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ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

1 Abmessungen 0,0166 2 0,03 4 0,07 1 0,02 2 0,03

2Verwendung alter Anschlüße 0,0331 0 0 0 0 0

3 Fremdlichteinfall 0,1050 0 0 0 0 0

4Erschütterungs- empfindlichkeit 0,0773 4 0,31 4 0,31 4 0,31 4 0,31

5 Verfahrwege 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0

6 Detektor wechsel 0,0608 0 0 0 0 0 0 0 0

7 Geschwindig-keiten 0,0055 0 0 0 0 0 0 0 0

8 Beschleunigungen 0,0000 0 0 0 0 0 0 0 0

9 Montage 0,0497 3 0,15 4 0,2 1 0,05 2 0,1

10 Energieversorgung 0,0331 0 0 0 0 0 0 0 0

11 Strahlungsschutz 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0

12 Kühlung 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0

13 Ansteuerung 0,0387 0 0 0 0 0 0 0 0

14 Sicherheit 0,0884 3 0,27 4 0,35 2 0,18 3 0,27

15 Transport 0,0497 3 0,15 4 0,2 1 0,05 3 0,15

16 Wartung 0,0663 2 0,13 4 0,27 4 0,27 1 0,07

17Positionieruns- genauigkeit 0,0939 0 0 0 0 0 0 0 0

18 Kosten 0,0276 2 0,06 3 0,08 4 0,11 1 0,03

19 Standartisierung 0,0387 0 0 0 0 0 0 0 0

20 Fertigung 0,0331 2 0,07 4 0,13 4 0,13 1 0,03

Bewertung 21 1,16 31 1,61 21 1,11 17 0,98

Auswahl 2 1


Variante für Tf 9 / Kühlung Lü

fter

Kühl

rippe

n

Was

serk

ühlu

ng

Kom

pres

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sküh

lung

Petie

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ng (B

)

=B*F

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ng (B

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=B*F

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ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

1 Abmessungen 0,0166 3 0,05 4 0,07 2 0,03 2 0,03 3 0,05

2Verwendung alter Anschlüße 0,0331 3 0,1 4 0,13 1 0,03 2 0,07 4 0,13


4Erschütterungs- empfindlichkeit 0,0773 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

5 Verfahrwege 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0




9 Montage 0,0497 3 0,15 3 0,15 2 0,1 1 0,05 4 0,2



12 Kühlung 0,0718 2 0,14 1 0,07 3 0,22 4 0,29 3 0,22

13 Ansteuerung 0,0387 3 0,12 1 0,04 4 0,15 4 0,15 4 0,15

14 Sicherheit 0,0884 3 0,27 4 0,35 2 0,18 2 0,18 3 0,27

15 Transport 0,0497 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

16 Wartung 0,0663 3 0,2 4 0,27 2 0,13 1 0,07 3 0,2


18 Kosten 0,0276 3 0,08 4 0,11 2 0,06 1 0,03 3 0,08


20 Fertigung 0,0331 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Bewertung 31 1,46 35 1,75 23 1,29 25 1,35 39 2,01

Auswahl 2 1


Variante für Tf 10 / Trage-konstruktion Bo

den

Krag

träge

r und

Säu

le

Befe

stig

ung

an

vorh

ande

nen

Baut

eile

n

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ng (B

)

=B*F

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ng (B

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=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

Bew

ertu

ng (B

)

=B*F

1 Abmessungen 0,0166 4 0,07 3 0,05 3 0,05 4 0,07 4 0,07




5 Verfahrwege 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0




9 Montage 0,0497 4 0,2 3 0,15 3 0,15 2 0,1 1 0,05

10 Energieversorgung 0,0331 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0


12 Kühlung 0,0718 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

13 Ansteuerung 0,0387 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

14 Sicherheit 0,0884 3 0,27 4 0,35 3 0,27 2 0,18 1 0,09

15 Transport 0,0497 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

16 Wartung 0,0663 4 0,27 3 0,2 3 0,2 3 0,2 2 0,13

17Positionieruns- genauigkeit 0,0939 3 0,28 4 0,38 4 0,38 3 0,28 0 0

18 Kosten 0,0276 4 0,11 3 0,08 2 0,06 2 0,06 2 0,06


20 Fertigung 0,0331 4 0,13 3 0,1 2 0,07 2 0,07 2 0,07

Bewertung 30 1,59 27 1,57 23 1,35 21 1,13 14 0,57

Auswahl 1 2

OWIS GmbH [email protected]

Tel. +49 (0)76 33/95 04-0Fax +49 (0)76 33/95 04-44

Im Gaisgraben 779219 Staufen (Germany)

Präzision ist unsere Welt

Precision is Our World

Un univers de précision

• Stellweg 70 mm, 95 mm, 145 mm, 195 mm oder 295 mm

• industrietauglich• für Dauerbetrieb• 2-Phasen-Schrittmotor• hochfeste Aluminium-Spezial-

legierung• geschliffene Feingewinde-

spindel mit spielfreier Axial-lagerung

• Schlitten mit Kugel umlauf-führungen

• rostbeständige, gehärtete und geschliffene Stahl-Führungs-schienen

• berührungslose und hochge-naue Endschalter (Hall-Sen-soren)

• auf Wunsch mechanische End-schalter

• mit Schritt- oder DC-Servo-motor

Präzisions-Lineartische, motorisiertPrecision Translation Stages, motorized

• travel 70 mm, 95 mm, 145 mm, 195 mm or 295 mm

• designed for – industrial application – continuous operation• 2-phase stepping motor• high density aluminium alloy• ground fi ne thread spindle

with backlash-free axial bearings

• slide with recirculating ball bearings

• stainless, ground steel guides, case hardened

• contact free and high precisi-on Hall sensors

• optionally mechanical limit switches

• with step motors or DC-servo-motors

Die preiswerten Lineartische der Serie LTM 80 eignen sich für den Einsatz im Dauerbetrieb und den Einbau in Maschinen.Die speziellen Führungen sorgen für praktisch slip-stick-freien Lauf sowie für hohe Belastbarkeit. Die Werkstoffkombination von Gewindespindel und Mutter gewährleistet geringen Verschleiß und hohe Lebensdauer. Bodenplatte und Schlitten bestehen aus einer Aluminium legierung. Alle Aluminiumteile haben eine hochwertige schwarze Eloxal-Schutzschicht.

LTM 80

Ausgabe 28.02.2005

The economically priced linear stages of the series LTM 80 is parti-culary suitable for continuous operation and installation in machi-nes.The special guidance provide a practically slip-stick free movement as well as high load capacity. The material combination of spindle and nut ensures low abrasion and long lifetime. Base plate and slide are composed of a aluminium alloy. All aluminium parts have a top quality black anodised protective coating.

Technische Daten/Technical Data (bei 20 °C/@20 °C) Schrittmotor/step motorstep motor

DC-Servomotor/DC Servomotor

GeschwindigkeitGeschwindigkeit speedspeedohne Last without load max. 10 mm/smit Maximallast with full load max. 9 mm/s

TragkraftTragkraft load capacityload capacity max. 150 NStellkraft pushing forcepushing force max. 60 NKippmoment (Mx, My, Mz)Kippmoment (Mx, My, Mz) moment of tilt (Mx, My, Mz)moment of tilt (Mx, My, Mz) max.15 NmSpindelsteigungSpindelsteigung pitchpitch 1 mmWiederholfehler (bidirektional) repeatability (bi-directional)repeatability (bi-directional) max. 12 µmµmPositionierfehler positioning errorpositioning error max. 25 µm/100 mmµm/100 mmGierwinkel yaw yaw max. 300 µradµradNickwinkel pitchpitch max. 250 µradµradHöhenschlagHöhenschlag vertical deviation max. 5 µmµmSeitenschlagSeitenschlag lateral deviation max. 8 µmµmMotorspannung, max. zul.Motorspannung, max. zul. motor phase voltage,motor phase voltage, max. permiss. max. permiss. 40 24 VMotor-HaltespannungMotor-Haltespannung locking voltagelocking voltage 3,2 — VMotorstrom, max. zul. motor current, max. permiss.motor current, max. permiss. max. 1,81) 3,3 ASchritte/Striche pro Umdrehung pro Umdrehung steps/lines per revolutionsteps/lines per revolution 200 500Betriebsumgebungstemperatur Betriebsumgebungstemperatur 2) ambient operating temperatureambient operating temperature 2) –10 bis/to +50 +10 bis/to +40 °CLagerungstemperaturLagerungstemperatur 2) storing temperaturestoring temperature 2) –20 bis/to +70 °C1) pro Phase/per phase 2) ohne Betauung/without condensation

ProduktinformationProduct Information

9012.0002

© OWIS

Steckerbelegung/pin confi guration LTM 80-XXX MSMSteckerbelegung/pin confi guration LTM 80-XXX HSM

LTM 80-75 LTM80-100 LTM80-150 LTM80-200 LTM80-300A 245 270 320 370 470B 17,5 30 30 30 30C 100 100 100 100 100D — — 50 100 100E — — — — 100F 285 310 360 410 510

Steckerbelegung/pin confi guration LTM 80-XXX MDSSteckerbelegung/pin confi guration LTM 80-XXX HDS

© OWIS

Bestellangaben/Ordering Information

Präzisions-Lineartisch, motorisiert/Precision Translation Stage, motorized mit Schrittmotor/with step motor

Hall-Endschalter/ Hall limit switches mechanische Endschalter/mechanical limit switchesStellweg/travel range Typ/Type Bestell-Nr./Order No. Typ/Type Bestell-Nr./ Order No.70 mm LTM 80-75 HSM 41.083.756D LTM 80-75 MSM 41.083.756D.ESM95 mm LTM 80-100 HSM 41.083.106D LTM 80-100 MSM 41.083.106D.ESM145 mm LTM 80-150 HSM 41.083.156D LTM 80-150 MSM 41.083.156D.ESM195 mm LTM 80-200 HSM 41.083.206D LTM 80-200MSM 41.083.206D.ESM295 mm LTM 80-300 HSM 41.083.306D LTM 80-300 MSM 41.083.306D.ESM

Präzisions-Lineartisch, motorisiert/Precision Translation Stage, motorized mit DC-Servomotor/with DC Servomotor

Hall-Endschalter/Hall limit switches mechanische Endschalter/mechanical limit switchesStellweg/travel range Typ/Type Bestell-Nr./Order No. Typ/Type Bestell-Nr./Order No.70 mm LTM 80-75 HDS 41.083.751G LTM 80-75 MDS 41.083.751G.ESM95 mm LTM 80-100 HDS 41.083.101G LTM 80-100 MDS 41.083.101G.ESM145 mm LTM 80-150 HDS 41.083.151G LTM 80-150 MDS 41.083.151G.ESM195 mm LTM 80-200 HDS 41.083.201G LTM 80-200 MDS 41.083.201G.ESM295 mm LTM 80-300 HDS 41.083.301G LTM 80-300 MDS 41.083.301G.ESM

Zubehör/Accessories

Typ/Type Bestell-Nr./Order No.z-Montagesatz für Lineartische LT 80 und LTM 80 /z assembly kit for series LT 80 and LTM 80 linear stages

MONT LT80-Z 41.083.0001

xy-Montagesatz für Lineartische LT 80 und LTM 80 /z assembly kit for series LT 80 and LTM 80 linear stages

MONT LT80-XY 41.083.0004

Spezialfett für Spindel und Führungen, 5 ml im Applikator/special grease for spindle and guides, 5 ml with applicator

F11 SST.F11

© OWIS

2 Phasen Schrittmotoren

2 Phasen High Torque Schrittmotoren - 1,8°

Farben der Anschlußlitzen

B8 Nanotec® GmbH • Gewerbestr. 11 • D-85652 Landsham • Telefon 089/900 686-0 • Fax 089/900 686-50

Typen ST4018 - Größe X, S, M, L

Erhältliche Leistungsgrößen (andere auf Anfrage)

Typ Strompro Wicklung

A/Wicklung

Halte-moment

N cm

Widerstandpro WicklungOhm/Wicklung

Induktivitätpro WicklungmH/Wicklung

Rotorträgh.-moment

g cm2

Gewicht

kg

Länge“A”mm

ST4018S0206-. 0,22 15ST4018S0406-. 0,35 16

75 53 27 0,18 31

ST4018X1404-. 1,4 9 2 1,6 16 0,15 21

30 21,7 27 0,18 31ST4018S0706-. 0,7 16 7,6 6,8 27 0,18 31ST4018S1006-. 0,95 16 3,9 3,6 27 0,18 31ST4018S1404-. 1,4 20 2 3,6 27 0,18 31

ST4018M0306-. 0,25 27ST4018M0406-. 0,4 28

75 72,8 48 0,27 3830 34,3 48 0,27 38

ST4018M0706-. 0,7 28 9,5 11,8 48 0,27 38ST4018M0906-. 0,9 28 5,7 6,8 48 0,27 38ST4018M1206-. 1,2 28 3,1 4,2 48 0,27 38ST4018M1404-. 1,4 24 1,2 1,7 48 0,27 38

Bestellbezeichnung:ST 4018 S 1404 - A

A = single shaftB = double shaft

ST4018M1804-. 1,8 28 1,1 1,85 48 0,27 38

ST4018L1804UB:24/48V; 1,75A/Phase; Steuerung: SMC44G

ST4018M1804UB:24/48V; 1,73A/Phase; Steuerung: SMC44G

ST4018M0906UB:24/48V; 0,7A/Phase (0,9A 1Wicklungshälfte); PD42

ST4018S1404UB:24/48V; 1,38A/Phase; Steuerung: SMC44G

ST4018L0804-. 0,8 50 9,3 25 66,5 0,37 49,5ST4018L1206-. 1,2 35 3,3 4,3 66,5 0,37 49,5ST4018L1804-. 1,8 50 1,75 5,4 48 0,37 49,5

Dimensions (mm)

ST4018 . ..06-. ST4018 . ..04-.

alle Angaben beziehen sichauf Unipolar! (außer ST...04)

A

A´

B´Brot

braun

orange

weiß

Bipolar

Md-Kennlinien aller Typen unter www.nanotec.de

ST4018L1804VM: 24 / 48 V; 1.75 A /Phase; Driver: SMC44G

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

10 100 1000 10000

Drehzahl / Speed / Vitesse / Velocidad [min -1]

Dre

hm

om

ent

/ T

orq

ue

/ C

ou

ple

/ P

ar

[N

m]

Vollschritt 48 V

Vollschritt 24 V

Fünftelschritt 48 V

esd electronic system design gmbh Phone: +49-511-37298-0Vahrenwalder Str. 207 Fax: +49-511-37298-68

I:\texte\Doku\DBL\CAN\ENGLISCH\Blue\can_step_02.en6 D-30165 Hannover / Germany E-Mail: [email protected]

esd gmbh

PhysicalCANLayer

LEDs

serial

+5VDC

GND

10k

1x Reference SwitchInterface (ES2)

Slotted Light Switch

1x Limit SwitchInterface (ES2)GND

BrakeLoad

AMP-Modu II, 1x5-pinBrake, Reference Switch ES2

CAN-IN

CAN-OUT CAN-Status

DS-402-Status

+24VDC

(same interfacecircuit as ES0

and ES1)

2x Limit SwitchInterface (ES0, ES1)

Rotor

Stepper Motor

BridgeMotor DriverLMD18245

IOUT = 36 mA ... 3.0 A

CAN-STEPCON-1H

5V

GND

+ 24VDC

GND

Power Supply+24VDC

+24VDC

DAC

DAC REF

Combicon MSTBVA 2.5-3GPower Input

AMP-Modu II, 1x6-pinCAN-IN, CAN-OUT

Combicon MSTBVA2.5-GStepper Motor Output

+24VDC


IOUT = 36 mA ... 3.0 A

EEPROM2 kbyte

VoltageController

AMP-Modu II, 1x6-pinLimit Switch ES0, ES1

Coding SwitchModule-No. (6 bit),Baudrate (2 bits)

Break OutputLow Side Switch

Variable VoltageReference

Micro-controllerC505CA

Stepper motor interface:

CAN:

General:

Order information:

CAN-STEPCON-1HHigh Current Stepper Motor Controller

- 3 A stepper motor output- brake output- 3 limit switch inputs- easy mounting- CiA DS-402 implementation

Full Stepper ControlThe module offers full control for one high current stepper motorchannel by CiA DS-402 commands. It is equipped with two motordriver bridges that support up to ±3 A output current. The three limitswitch inputs are designed for slotted light switches. The brake outputis equipped with a low side switch.

Intelligent MicrocontrollerThe CAN-STEPCON-1H module is equipped with a C505CA-microcontroller with an integrated CAN interface. 2 Kbyte EEPROM is used to store module configuration data.

LED Display and Coding SwitchThe status LEDs display the CAN status of the module. The codingswitch is used to set the bit rate (2 bits) and the Node-ID (6 bits).

CAN BusThe physical CAN layer is ISO 11898-compliant and allows data-transfer rates of up to 1 Mbit/s.

CAN ProtocolsThe module is operating with CANopen according to CiA-DS-301 andDS-402.

Technical Specifications:

Stepper output: H-bridge with 2 motor driver controllersLMD18245, UVCC = 12 VDC ... 55 VDC,programmable IOUT = 36 mA ... 3.0 A, overtemperature and overcurrent (ILIMIT_TYP= 12 A) protection

Limit switch inputs: 3-pin connection for slotted light switches: +5 Vpower supply output, CMOS Schmitt-Triggerinput 74HC86, GND

Brake output: low side switch, UVCC = 24 VDC, INOM = 1.4 A, over current protection (ILIMIT_TYP= 7.5 A)

CAN controller: C505CA, CAN2.0A (supported by firmware)

CAN interface: differential, 1 Mbit/s, ISO11898, no electrical isolation of physical layer

Protocol: CANopen DS-301, DS-402

LED display: CAN status, DS-402 status

Ambient temperature: 0...50 /COperating voltage UVCC: 24 VDC (separate power supply for

stepper motor drivers possible)

Case dimensions: 40 mm x 35 mm x 160 mm, 6 holes(diameter 3.5 mm) for fastening screws

Designation order no.

CAN-STEPCON-1H stepper motor controller, C.2090.01CANopen DS-402

CAN-STEPCON-1H-MD German users’s manual C.2090.20

CAN-STEPCON-1H-ME English users’s manual C.2090.21

CAN-STEPCON-1H Hardware-Handbuch Rev. 1.4

CAN-STEPCON-1HHigh Current Stepper Controller

Hardware-Handbuch


Dokument-Datei: I:\texte\Doku\MANUALS\CAN\STEPCON-1H\hcstep_14h.ma9

Datum derDruckvorlagenerstellung: 16.09.2004

Platinen-Version: Rev. 1.0

Änderungen in den Kapiteln

Die hier aufgeführten Änderungen im Anwenderhandbuch betreffen sowohl Änderungen in derHardware als auch reine Änderungen in der Beschreibung der Sachverhalte.

Kapitel Änderungen gegenüber Vorversion

4.1.3 - 4.1.5 Der Leitungsstecker mit Crimp-Kontakten erhält eine neue Steckernummer

Weitere technische Änderungen vorbehalten.


Der Inhalt dieses Handbuches wurde mit größter Sorgfalt erarbeitet und geprüft. esd übernimmt jedochkeine Verantwortung für Schäden, die aus Fehlern in der Dokumentation resultieren könnten. Insbeson-dere Beschreibungen und technische Daten sind keine zugesicherten Eigenschaften im rechtlichenSinne.

esd hat das Recht, Änderungen am beschriebenen Produkt oder an der Dokumentation ohne vorherigeAnkündigung vorzunehmen, wenn sie aus Gründen der Zuverlässigkeit oder Qualitätssicherung vor-genommen werden oder dem technischen Fortschritt dienen.

Sämtliche Rechte an der Dokumentation liegen bei esd. Die Weitergabe an Dritte und Vervielfältigungjeder Art, auch auszugsweise, sind nur mit schriftlicher Genehmigung durch esd gestattet.

esd electronic system design gmbhVahrenwalder Str. 20730165 Hannover

Tel.: 0511/372 98-0FAX : 0511/372 98-68 E-Mail: [email protected]: www.esd-electronics.com

CAN-STEPCON-1H Hardware-Handbuch Rev. 1.4 1

Inhaltsverzeichnis Seite

1. Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1 Blockschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Zusammenfassung der technischen Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.2 Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.3 CAN-Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.4 Endschalter-Eingänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.5 Bremse-Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.6 Stepper-Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.7 Bestellhinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2. Abmessungen und Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3. Beschreibung der Baugruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.1 Platinenansicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2 Kodierschalter SW100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.3 LED-Anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4. Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.1 Steckerbelegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.1.1 Stepper Driver Output (X200, Combicon-Style) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.1.2 Spannungszuführung (X300, Combicon-Style) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.1.3 Endschalter ES0, ES1 (X310, AMP-Modu II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.1.4 Endschalter ES2, Bremse (X330, AMP-Modu II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.1.5 CAN (X320, AMP-Modu II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16


Diese Seite ist bewußt unbedruckt.

Übersicht


PhysicalCANLayer

LEDs

serial

+5VDC

GND

10k

1x Limit SwitchInterface (ES2)GND

CAN-IN

CAN-OUT CAN-Status

DS-402-Status

+24VDC

Rotor


IOUT = 36 mA ... 3.0 A

CAN-STEPCON-1H

5V

GND

+ 24VDC

GND

+24VDC

+24VDC

DAC

DAC REF

Combicon MSTBVA 2.5-3GPower Input

+24VDC


IOUT = 36 mA ... 3.0 A

EEPROM2 kbyte

SpannungsversorgungSpannungs-

regler

LastBremse

AMP-Modu II, 1x5-pol.Bremse, Endschalter ES2

1x Endschalter-Interface (ES2)

(gleiche Interface-Schaltung wieES0 und ES1)

Ausgang für BremseLow Side Switch

GabellichtschrankeAMP-Modu II, 1x6-pol.Endschalter ES0, ES1

AMP-Modu II, 1x6-pol.CAN-IN, CAN-OUT

2x Endschalter-Interface (ES0, ES1)

Micro-controllerC505CA

Kodierschalter:Module-No. (6 Bit),

Baudrate (2 Bit)

VariableReferenzspanng.

SchrittmotorCombicon MSTBVA2.5-GSchrittmotor-Ausgang

1. Übersicht

1.1 Blockschaltbild

Abb. 1.1: Blockschaltbild

Mit dem Modul CAN-STEPCON-1H kann ein “High-Current”-Schrittmotor über CiA DS-402-Kommandos gesteuert werden. Es ist mit zwei Brückenschaltungen bestückt, die einen Ausgangsstrom von bis zu ±3 A bieten. Die dreiEndschalter-Eingänge des Moduls sind für Gabellichtschranken ausgelegt. Der Bremse-Ausgang wirdmit einem Low-Side-Treiber realisiert.

Das CAN-STEPCON-1H-Modul ist mit einem C505CA-Microcontroller mit integriertem CAN-Interface bestückt. Das 2 kByte große EEPROM dient zur Speicherung der Konfigurationsdaten.

Der CAN-Status des Moduls wird über LEDs angezeigt. Der Kodierschalter wird zur Einstellung derBitrate und der Node-ID verwendet.

Das Modul arbeitet nach den CANopen-Protokollen CiA-DS-301 und DS-402.

Übersicht


1.2 Zusammenfassung der technischen Daten

1.2.1 Allgemeines

Temperaturbereich max. zulässige Umgebungstemperatur: 0...50 C

Luftfeuchtigkeit max. 90%, nicht kondensierend

Größe der Platine 146,69 mm x 32,0 mm

Gehäuse U-förmiges Alu-Profil, 160 x 39 x 34 mm

Schutzklasse IP10

Gewicht ca. 120 g

Spannungsversorgungs-eingang

UVCC_Nom = 24 V DCUVCC_max = 40 V DC (maximal zulässiger Wert)

I 30 mA (typisch, bei 20 C, Ausgänge unbelastet)

X300: MSTBVA2,5-3G (Steckverbinder auf Leiterplatte)

1.2.2 Mikrocontroller

Microcontroller C505CA

EEPROM 2 KByte (z.B. CAT24WC08)

RAM 1 K + 256 Byte

OTP 32 K

Übersicht


1.2.3 CAN-Interface

Anzahl 1

CAN-Controller Microcontroller C505CA

CAN-Protokoll Basic-CAN 2.0A

Physikalisches Interface Physical Layer gemäß ISO 11898, Übertragungsrate überKodierschalter einstellbar von 125 kBit/s bis 1 MBit/s

Busabschluß muß extern gesetzt werden

Steckverbinder aufLeiterplatte

X320AMP-Modu II, 1x6 (einreihig), Stiftleiste mit Schutzkragen,stehende Bauform, kodiert,1-3 durchverbunden mit 4-6

1.2.4 Endschalter-Eingänge

Anzahl 3

Schaltunggeeignet für Gabellichtschranken EESX1103,Anschluß für Schalter gegen GND:4,7 kOhm-Pullup an XOR-Gatter-Eingang (74HC86)

Schaltschwellen CMOS

Eingangsstrom CMOS

Eingangstiefpaß ohne

LED-Anzeige nein

Galvanische Trennung keine


ES0, ES1:X310, AMP Modu II, 1x6 (einreihig), Stiftleiste mit Schutzkragen, stehende Bauform, kodiertES2:X330, AMP Modu II, 1x5 (einreihig), Stiftleiste mit Schutzkragen, stehende Bauform, kodiert

Übersicht


1.2.5 Bremse-Ausgang

Anzahl 1

Treiberbaustein BSP76

Schaltung Low Side Switch

Versorgungsspannung Nennwert : UVCC = 24 VDC

Belastbarkeit Nennstrom/Kanal (24 V): INENN = 1,4 A

Schutzschaltungen Kurzschlussfest

Galvanische Trennung nein


X330AMP-Modu II, 1x5, einreihig, stehende Bauform, kodiert

1.2.6 Stepper-Ausgang

Ausgang 2 Motor Driver Controller für einen Stepper-Motor (1 Driver pro Wicklung)

Treiberbaustein LMD 18245, H-Bridge

Versorgungsspannungder Ausgangsschaltung

zulässiger Spannungsbereich: UVCC = 12 VDC...55 VDC(UVCC = 55 VDC ist nur zulässig, wenn der widerstand RX300 nichtbestückt ist (siehe Seite 14), andernfalls beträgt das absoluteMaximum UVCC = 40 VDC !)

Nennwert : UVCC = 24 VDC (separater Pin auf Stecker X300)

Signalpegel derAusgänge dynamische Stromregelung I = A MAX

Belastbarkeit Nennstrom/Kanal (24 V/50°C): INENN = 3 A

Chopping-Frequenz ca. 22 KHz

Schutzschaltungen

Freilaufdiode gegen Betriebsspannung und GND,Abschaltung bei thermischer Überlastung und Überstrom mitautomatischem Wiedereinschalten (I = 12A für einen Zeitraum vonlänger als t = 12 s führt zum Abschalten des Ausgangs)


X200Combicon, MSTBVA2.5-5G

Übersicht


1.2.7 Bestellhinweise

Typ Eigenschaften Bestell-Nr.

CAN-STEPCON-1H Stepper-Motor-Controller C.2090.01

CAN-STEPCON-1H-Con

1 Satz Leitungssteckverbinder:X300: Spannungszuführung doppelt (je 2x

2,5 mm²)X200: Stepper-Ausgang (2,5 mm²)X310-X330: 3x Steckergehäuse plus 17 Crimp-Kontakte

(Crimp-Werkzeug erforderlich)

C.2090.10

CAN-STEPCON-1H-MD Anwenderhandbuch in deutsch 1*)

(dieses Handbuch) C.2090.20

CAN-STEPCON-1H-ENGEngineering Manual in englisch 2*)

Inhalt: Schaltpläne, Bauteilpositionen undDatenblätter signifikanter Bauteile

C.2090.25

1*) Wird das Handbuch gemeinsam mit der Karte bestellt, so wird es kostenlos mitgeliefert.2*) Für dieses Handbuch wird eine Schutzgebührt erhoben. Bitte wenden Sie sich an unseren Support.

Abmessungen und Montage


156,

516

0

3,5 39 17

34

d=3,3

Components

Components

2. Abmessungen und MontageDie Platine des Moduls ist in einem U-förmigen Aluminiumprofil eingebaut. Das Aluminiumprofil istan drei Seiten offen, wodurch ein bequemer Zugang zu den Steckern und eine gute Kühlung ermöglichtwird. An den Stirnseiten sind jeweils drei Bohrungen vorhanden, die z.B. für die Befestigung desModuls mit M3-Maschienenschrauben geeignet sind.Da das Gehäuse an drei Seiten offen ist, ist es so zu montieren, daß die Bauteile gegen mechanischeBeschädigung geschützt sind!

Alle Abmessungen in [mm].Alle Befestigungsbohrungen d = 3,3 mm.Gehäusematerial: Aluminium Materialstärke: 1,0 mm

Abb. 2.1.1: Abmessungen und Befestigungsbohrungen des CAN-STEPCON-1H

Beschreibung der Baugruppen


3. Beschreibung der Baugruppen

3.1 Platinenansicht

Abb. 3.1.1: Platinenansicht

Hinweis:Die oben dargestellten Leitungssteckverbinder (X200: MSTB2,5/5-ST-5,08 und X300:TMSTBP2,5/3-ST-5,08) sind im Standard-Lieferumfang nicht enthalten. Sie können als Optionzusammen mit den Leitungssteckern für X310, X320 und X330 bestellt werden.



3.2 Kodierschalter SW100

Kodierschalter-Bit-Nr. Bedeutung

8 LSB76 Module-No.543 MSB2

CAN-Baudrate1

Tabelle 3.2.1: Zuordnung der Kodierschalter-Bits

Kodierschalter-Bit-Nr.

Modul-No.-Bit-Nr.

Default-Stellung bei Auslieferung

Schalterstellung Modul-No.-Bit-Wert

8 0 ON 17 1 OFF 06 2 OFF 05 3 OFF 04 4 OFF 03 5 OFF 0

Tabelle 3.2.2: Einstellung der Module-No.

Kodierschalter-BitBaudrate

2 1

OFF OFF1 MBit/s

(Default-Stellungbei Auslieferung)

OFF ON 500 kBit/sON OFF 250 kBit/sON ON 125 kBit/s

Tabelle 3.2.3: Einstellung der Baudrate



3.3 LED-Anzeigen

LED 111 ‘DS402-STATUS’ (rot)

Leuchtzustand DS-402-Status

aus‘Switch On Disabled’ oder‘Ready to Switch On’ oder‘Switched On’

blinkend‘Operation Enable’und kein Fahr-Kommando aktiv

LED leuchtet ohneUnterbrechung

‘Operation Enable’und Fahr-Kommando aktiv

LED 112 ‘CAN-STATUS’ (rot)

Leuchtzustand Bedeutung

aus keine Versorgungsspannung, fatal error

blinkend, ca. 3 Hz Modul ist im Zustand ‘Preoperational’

blinkend, ca. 20 Hz CAN Error

LED leuchtet ohneUnterbrechung

Modul ist im Zustand ‘Operational’

Tabelle 3.3.1: Bedeutung der LED-Leuchtzustände



Diese Seite ist bewußt unbedruckt.

Anhang


12345

4. Anhang

4.1 Steckerbelegungen

4.1.1 Stepper Driver Output (X200, Combicon-Style)

Gerätestecker: Phoenix Combicon, Stiftkontakte, 5-polig, MSTBVA2.5-5GLeitungsstecker: Phoenix Combicon, Buchsenkontakte, 5-polig, MSTB2,5/5-ST-5,08

Pin-Zuordnung: Pin-Belegung:

Pin Signal

1 OUT11

2 OUT12

3 n.c.

4 OUT21

5 OUT22

Anhang


321

4.1.2 Spannungszuführung (X300, Combicon-Style)

Gerätestecker: Phoenix Combicon, Stiftkontakte, 3-polig, MSTBVA2.5-3GLeitungsstecker: Phoenix Combicon, Buchsenkontakte, 3-polig, MSTB2,5/3-ST-5,08

oderPhoenix Combicon, Buchsenkontakte, 3-polig, TMSTBP2,5/3-ST-5,08 (doppelteLeitungszuführung)

Pin-Zuordnung: Pin-Belegung:

Pin Signal

1 GND

2 +24V Motor

3 +24V C

24V C Spannungsversorgung für alle Baugruppen außer Motor Driver24V Motor Spannungsversorgung für Motor Driver

Anmerkung:Auf der Platine sind die Signale +24V C und +24V Motor bei Auslieferung des Moduls über einen0-Ohm-Widerstand (RX300) miteinander verbunden. Daher kann unter Umständen eine der beiden24V-Zuführungen entfallen. Wird der Widerstand entfernt, muß an beiden Klemmen die Spannungangeschlossen werden.

Abb. 4.1.1: Position des Widerstands RX300 auf der Platine

Anhang


4.1.3 Endschalter ES0, ES1 (X310, AMP-Modu II)

Gerätestecker: AMP Modu II, Stiftkontakte, 6-polig, AMP-Nr. 826467-6Leitungsstecker: AMP Modu II, Buchsenkontakte, 6-polig,

Gehäuse: AMP-Nr. 926475-6Crimp-Kontakte: AMP-Nr. 87667-5Rastgabel: AMP-Nr. 926477-1

Pin Signal

1 VCC

2 ESI0 (ES Lower)

3 GND

4 VCC

5 ESI1 (ES Upper)

6 GND

4.1.4 Endschalter ES2, Bremse (X330, AMP-Modu II)



Pin Signal

1 M-BRKO+ (+24V C, Ausgang)

2 M-BRKO-

3 VCC

4 ESI2 (Reference)

5 GND

Anhang


4.1.5 CAN (X320, AMP-Modu II)



Pin Signal

1 CAN_H

2 CAN_L

3 GND

4 GND

5 CAN_L

6 CAN_H

GENERALParameter Description/Value Unit

Spectral ResponseWavelength of Maximum Response

Photocathode

Window Material

Dynode

Direct InterelectrodeCapacitancesBaseWeightSuitable Socket

nmnm—

mm dia.———pFpF—g—

160 to 650420

Bialkali8

Fused silicaLinear focused

80.72.0

11-pin glass baseApprox. 5

E678-11N (supplied)

MaterialMinimum Useful Area

StructureNumber of StagesAnode to Last DynodeAnode to All Other Electrodes

PHOTOMULTIPLIER TUBE

R2496

MAXIMUM RATINGS (Absolute Maximum Values)

Information furnished by HAMAMATSU is believed to be reliable. However, no responsibility is assumed for possible inaccuracies or omissions. Specifications are subject to change without notice. No patent rights are granted to any of the circuits described herein. © 1998 Hamamatsu Photonics K.K.

Subject to local technical requirements and regulations, availability of products included in this promotional material may vary. Please consult with our sales office.

For Positron CT Scanner Using BaF2 Scintillator10mm (3/8 Inch) Diameter, 8-Stage, Head-On, Bialkali Photocathode

CHARACTERISTICS (at 25°C)Parameter Min. Unit

Parameter Value UnitSupply VoltageAverage Anode CurrentAmbient Temperature

15000.03

-80 to +50

VdcmA°C

Between Anode and Cathode

Cathode Sensitivity

Anode Sensitivity

GainAnode Dark Current (after 30 min. storage in darkness)

Time Response

Luminous (2856K)Radiant at 420nmBlueLuminous (2856K)Radiant at 420nm

Anode Pulse Rise TimeElectron Transit Time

60——30—————

95769.5100

8.0 × 104

1.1 × 106

20.79.0

µA/lmmA/W

µA/lm-bA/lmA/W—nAnsns

——————50——

Typ. Max.

Supply Voltage: 1250Vdc, K: Cathode, Dy: Dynode, P: Anode

VOLTAGE DISTRIBUTION RATIO AND SUPPLY VOLTAGEElectrodesDistribution Ratio

K Dy13

Dy21.5

Dy31.5

Dy41

Dy51

Dy61

Dy71

Dy81

P1

FEATURES Coincidence Resolving Time with BaF2-BaF2/22Na ........................................................................................................................................................... 0.45ns Fast Time Response Transit Time Spread (FWHM) .............................................................................................................................................. 0.6ns Quantum Efficiency at 225nm ................................................................................................................................................... 18%

PHOTOMULTIPLIER TUBE R2496

Figure 1: Typical Spectral Response

TPMH1229E01SEPT. 1998

HAMAMATSU PHOTONICS K.K., Electoron Tube Center 314-5, Shimokanzo, Toyooka-village, Iwata-gun, Shizuoka-ken, 438-0193, Japan, Telephone: (81)539/62-5248, Fax: (81)539/62-2205U.S.A.: Hamamatsu Corporation: 360 Foothill Road, P. O. Box 6910, Bridgewater. N.J. 08807-0910, U.S.A., Telephone: (1)908-231-0960, Fax: (1)908-231-1218Germany: Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH: Arzbergerstr. 10, D-82211 Herrsching am Ammersee, Germany, Telephone: (49)8152-375-0, Fax: (49)8152-2658France: Hamamatsu Photonics France S.A.R.L.: 8, Rue du Saule Trapu, Parc du Moulin de Massy, 91882 Massy Cedex, France, Telephone: (33)1 69 53 71 00, Fax: (33)1 69 53 71 10United Kingdom: Hamamatsu Photonics UK Limited: Lough Point, 2 Gladbeck Way, Windmill Hill, Enfield, Middlesex EN2 7JA, United Kingdom, Telephone: (44)181-367-3560, Fax: (44)181-367-6384North Europe: Hamamatsu Photonics Norden AB: Färögatan 7, S-164-40 Kista Sweden, Telephone: (46)8-703-29-50, Fax: (46)8-750-58-95Italy: Hamamatsu Photonics Italia: S.R.L.: Strada della Moia, 1/E, 20020 Arese, (Milano), Italy, Telephone: (39)02-935 81 733, Fax: (39)02-935 81 741

TPMHB0566EA

Figure 2: Typical Gain Characteristics

TPMHB0567EA

Figure 3: Dimensional Outline and Basing Diagram (Unit: mm)

TPMHA0442EA

TACCA0043EA

Socket(E678-11N)

4.3

9.5

10.511

3

3

9.5

100

10

1

0.1

0.01200 600 800400

WAVELENGTH (nm)

CA

TH

OD

E R

AD

IAN

T S

EN

SIT

IVIT

Y (

mA

/W)

QU

AN

TU

M E

FF

ICIE

NC

Y (

%)

CATHODERADIANTSENSITIVITY

QUANTUMEFFICIENCY

12

3

4

56

7

8

9

1011

IC

DY1

DY3

DY5

DY7P

DY8

DY6

DY4

DY2

K

SHORT PIN

FACEPLATE

PHOTOCATHODE

11 PIN BASE

8MIN.

10M

AX

.45

.0 ±

1.5

10.5 ± 0.5

107

106

105

104

103

500 1000700 1500 2000

SUPPLY VOLTAGE (V)G

AIN

2/3"-IT-CCD-Monochrom-Kamera JAI M300

www.stemmer-imaging.com

kamerasflächenkameras monochromflächenkameras farbezeilenkameras

JAI M300, der LichtminimalistDie Kamera M300 ist durch ihre hohe Lichtempfindlichkeit von0,05 Lux der Spezialist für schlechte Beleuchtungsverhältnisse. Ver-schiedene Trigger-Modi, die Fähigkeit zu Langzeitintegration undexterner Synchronisierung machen die JAI M300 zu einer universelleinsetzbaren monochromen 2/3"-Standard-Video-CCD-Kamera. AufKundenwunsch ist die JAI M300 auch mit einem Winkelkopf erhält-lich, um den Einbau in beengten Einbauräumen zu ermöglichen.

Die 2/3"-IT-CCD-Monochrom-Kameras aus der JAI M-SerieNeuer 2/3"-Hyper-HAD-Sensor mit 752 (H) x 582 (V) (CCIR) bzw.768 (H) x 494 (V) (EIA) Bildpunkten, größerer Dynamik und ver-bessertem »Smear«-VerhaltenHD/VD-Ausgang oder -EingangPixelsynchrones Arbeiten möglichEinfache Blitzsynchronisation über EEN-Puls (Exposure Enable)Extrem günstiges Preis-/LeistungsverhältnisIndustriegehäuse identisch mit M10, M30, M40, M50 und M1Langzeitintegration über externes VD-Signal

Trigger-Modus EDGE PRE-SELECTDie fallende Flanke des Trigger-In löst sofort den Reset des CCD-Sensors aus und startet die voreingestellte Integrationszeit. DerWEN-Puls zeigt anschließend den Start des Auslesevorgangs an.

Trigger-Modus PULSE WIDTH CONTROLDie Pulslänge des Trigger-In steuert die Dauer der Integrationszeit.Die fallende Flanke startet, die steigende Flanke stoppt die Integra-tion. Der WEN-Puls zeigt dann den Start des Auslesevorgangs an.

Trigger-Modus START/STOPIntegrations- und Auslesezeitpunkt können über eine externeTrigger/VD-Kombination gesteuert werden. Die fallende Flanke desexternen Triggers startet die Integration. Mit der fallenden Flankeeines extern gelieferten VD wird die Integration beendet.

Trigger-Modus LONGTIME EXPOSUREIm Langzeit-Integrations-Modus wird die Dauer der Integrationdurch den Abstand zweier externer VDs bestimmt:

Frame-Accumulation-Modus, 2:1 Interlaced: Das erste externeVD-Signal startet die Integration der geraden Zeilen und 20 ms(1 VD) später der ungeraden Zeilen. Das zweite VD-Signal beendetdie Integration, und die Ausgabe der Halbbilder erfolgt.

Field-Accumulation-Modus, 2:1 Interlaced: Das erste externe VD-Signal startet die gleichzeitige Integration von geraden undungeraden Zeilen. Nach dem zweiten VD werden die summiertenLadungen in einem Halbbild ausgegeben (20 ms).

Vier Random-Trigger-Modi

K-JAI

12-0

8/20

04. T

echn

ische

Änd

erun

gen u

nd Fe

hler v

orbe

halte

n.

spezifikationen

ccd-sensor 2/3" IT-Hyper-HAD-Sensor

bildelemente 752 (H) x 582 (V) CCIR768 (H) x 494 (V) EIA

pixelgrösse 11,6 µm (H) x 11,2 µm (V) CCIR / 11,6 µm (H) x 13,5 µm (V) EIA

auflösung 560 TV-Linien horizontal CCIR / 570 TV-Linien horizontal EIA

empfindlichkeit 0,05 Lux bei F=1,4; AGC on

video-output 1,0 Vp-p, 75 Ohm2:1 interlaced oder non-interlaced (Halbbildauflösung)

s/n-ratio mind. 59 dB (AGC off, Gamma = 1)

synchronisation Intern oder extern mit HD/VD oder Random-Trigger

shutter Off, On 1/100 bis 1/10.000 s

trigger-shutter 1/50 bis 1/10.000 s CCIR, 1/60 bis 1/10.000 s EIA Trigger-Pulsweite min. 1 HD (neg.)

besonderheiten Pixelclock-AusgangAsynchroner Shutter durch Edge Pre-Select-TriggerPulse Width ControlledVariable Integrationszeitsteuerung über Start/Stop-TriggerLangzeitintegration über externes VD-SignalEEN-Puls (Ausgabe der effekt. Belichtungszeit) WEN-Puls (Start des Auslesevorgangs)

gamma 1 oder 0,45 (Off/On)

bedienung DIP-Schalter, Drehschalter (Kamera-Rückwand)

anschluss 12-Pol und 6-Pol Hirose, BNC

objektivanschluss C-Mount

temperaturbereich -5 °C bis +45 °C

luftfeuchtigkeit 20% bis 80%

stromversorgung 12 VDC, 3,6 W

abmessungen 40 x 50 x 80 (H x B x T in mm)

gewicht 230 g

Technische Daten

Abmessungen der JAI M300

12-Pin Stecker DC/SYNC IN 6-Pin Stecker TRIGGER

Pin Signal Pin Signal1 Ground 1 N.C.2 +12 VDC In 2 EEN-Pulse Out3 Ground 3 Ground4 Video Output 4 N.C.5 Ground 5 Ext. Trigger In6 HD In oder HD Out 6 WEN-Pulse Out7 VD In oder VD Out / WEN Out8 Ground9 Clock Out

10 Ground11 +12 VDC In12 Ground

Frontansicht Seitenansicht Rückansicht

Anschlussbelegung

Bedienung

2/3"-IT-CCD-Monochrom-Kamera JAI M300

alle Angaben in mm

Unterseite

www.stemmer-imaging.comDeutschland: Gutenbergstr. 11 . D-82178 Puchheim . Telefon +49 (0)89 / 80 90 2-0 . Fax +49 (0)89 / 80 90 2-116Schweiz: Rietbrunnen 48 . CH-8808 Pfäffikon . Telefon +41 (0)55 415 90 90 . Fax +41 (0)55 415 90 91

Peltier-Elemente

3

Verbindet man zwei Drähte aus unterschiedlich elek-trisch leitenden Materialien jeweils an den beiden Enden und eine dieser Verbindungstellen hat eine andere Temperatur als die andere, dann entsteht dazwischen eine Spannungsdifferenz. Dieser Effekt (Seebeck) wird zur Temperaturmessung genutzt. Diese Elemente bezeichnet man als Thermoele-mente.

Legt man aber eine Spannung an, fließt ein Strom, der Wärme von der einen Verbindungsstelle zur anderen transportiert. Die eine Verbindung wird kalt und die andere Verbindung wird warm. Dieser Wär-metransport wird durch den Elektronenfluss hervor-gerufen. Diese Elemente nach dem Peltier-Effekt sind thermoelektrische Elemente. (Gesetz der intermediären Metalle und Gesetz der intermediären Temperaturen)

Für die Peltier-Elemente sind Materialien günstig, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine nied-rige Leitfähigkeit für Wärme haben. Da die meisten elektrischen Leiter auch eine hohe Wärmeleitfähig-keit haben, wählt man dotierte Halbleiter, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen.Als Halbleitermaterial wird Bismuth Tellurid (Bi2Te3), Antimon Tellurid (Sb2Te3), Bismuth Selenide (Bi2Se3) und andere eingesetzt. In n-Halbleitern wird die Wärme entgegengesetzt zum Stromfluß und in p-Halbleitern in gleicher Stromrichtung trans-portiert.

warm kalt

Volt

Metall A Metall A

Metall B

Volt

Metall A Metall A

Metall B

Strom

Wärme

warm kalt

Über Peltier – Elemente Peltier - Elemente sind thermoelektrische Elemente (TE), die als Wärmepumpe arbeiten.Damit kann man Kühlen und Heizen.Diese Wirkung beruht auf einem Vorgang, bei dem Gleichstrom durch ein thermoelektrisches Element fließt und dazu führt, daß Wärme von einer Seite des Elementes zur anderen Seite transportiert wird.Das Ergebnis ist, daß eine Seite kalt und die gegen-überliegende Seite warm wird.Der Temperaturunterschied kann bis zu 73°C bei einem einfachen Element und bis zu 100°C bei mehrstufigen Elementen betragen.

Nachdem der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831) im Jahr 1821 die Thermo-elektrizität entdeckte und damit die heute bekannte Temperaturmessung mit Thermoelementen ermög-lichte, entdeckte der französische Physiker Jean Peltier (1785-1845) im Jahre 1834 die Umkehrung dieses Thermolelektrischen Effektes.

PELTIER - Elemente

Halbleiter N Halbleiter P

kalt

warm

Strom

ä

r

m

e

W

Aufbau Prinzip

Peltier-Elemente

4

Welche besonderen Vorteile erreicht man mit dem Einsatz von thermoelektrischen Elementen:• ökologische Reinlichkeit und Sicherheit, wegen

des Fehlens von irgendwelchen Gasen und Flüssigkeiten.

• Keine Geräusche oder Erschütterungen• Kühlen oder Heizen einfach durch Umpolen des

Gleichstromes• praktisch unbegrenzte Möglichkeiten im Einsatz

bis zu kleinsten Baugrößen• Betrieb in allen Lagen, sogar unabhängig von

Erdanziehung und Schwerelosigkeit• Erzeugung von elektrischer Energie direkt aus

Wärme (Power Generator)• und noch ein bißchen mehr....

Qualität der Peltier-Elemente• Forschung und Weiterentwicklung sorgen für

einen hohen technologischen Stand der Quick-Ohm Produkte.

• Die ständige Anpassung an die Bedürfnisse der Kunden wird damit ermöglicht.

• Das beste thermoelektrische Material mit hoher mechanischer Festigkeit hilft, Ausfälle durch Transport, Montage und bei der Anwendung zu vermeiden.

• Quick-Ohm legt den größten Wert auf Zuverläs-sigkeit. Speziell für diesen Zweck sind modifi-zierte Elemente (M) entwickelt worden. Diese Elemente haben eine sehr hohe Zyklenfestig-keit, die mehr als ein dutzendmal höher ist, als bei den Standardelementen.

• Bei besonderen Anforderungen für die Ele-mente kann Quick-Ohm verschiedene Schutz-arten gegen Feuchtigkeit und Kondensation bieten.

• Es werden die besten Rohmaterialien, auch für Keramiksubstrate und Zubehörteile, eingesetzt, die von den Lieferanten weltweit zu erhalten sind.

• Alle Fertigungsschritte werden sorgfältig geprüft. Alle Elemente, die an die Kunden verschickt werden, werden mit äußerster Sorgfalt geprüft. Sie durchlaufen auch Ultraschall- und Tempera-turprüfungen für alle elektrischen und thermo-elektrischen Parameter. Darüber werden Prüf-bescheinigungen ausgestellt.

• Die moderne Verpackung schützt die empfind-lichen Elemente vor Erschütterungen, Stößen, atmosphärischen Niederschlägen und Tempera-

turschwankungen während des Transportes vor jeder Art der Zerstörung oder späteren Ausfällen.

Hoch zuverlässige Elemente der M-SerieDie M-Serie bietet zwei weitere Eigenschaften:1. Einen langfristigen stabilen Betrieb bei ständig wechselnden Temperaturen. 2. Die Eigenschaft, den hohen mechanischen Belastungen beim Einbau und beim Betrieb zu widerstehen.

Thermische ZyklenfestigkeitWechselhafte thermische Belastung im Betrieb der Elemente, wie bei EIN/AUS Betrieb, ist der Haupt-grund für eine erhebliche Verkürzung der Lebens-dauer. Die Elemente werden dadurch mehr belastet, als bei mehr oder weniger kontinuierlichem Betrieb.Die drastische Verbesserung der Zyklusfestigkeit beruht auf verschiedenen Konstruktionsmerkma-len. Durch einen Temperatur Test, 40°C für 3 Minuten, dann 90°C für 3 Minuten, dann wieder 40°C für 3 Minuten) wird die Zyklusfestigkeit der Standard-Elemente und der modifizierten Elemente (M-Serie) geprüft. Der Prüfvorgang 40/90 beinhaltet eine Umpolung des Stromes zur künstlichen Alterung, wie in Bild 1 dargestellt. Das Testergebnis, wie in der Tabelle für das Peltier-Element QC-127-1.4-6.0 angegeben, zeigt eine durchschnittliche Lebens-dauererhöhung um das 70-fache.

Mechanische Festigkeit eines ElementesDer von früher gut bekannte Ausfall eines Einzelele-mentes während des Betriebes hat etwas zu tun mit schleichender Zerstörung durch die Auswirkungen der Montage mittels Einklemmen. Nebenbei, auch gut montierte Elemente sind Erschütterungen und Stößen ausgesetzt und können auch dadurch zer-stört werden. Hierbei sind die mechanische Festig-keit und die Montagemethode die kritischen Punkte. Thermoelektrische Werkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften wurden speziell für die M-Serie entwickelt. Diese Ausführung bietet eine beträchtliche Verstärkung der Elemente. Beim Schocktest, wie in Bild 2 dargestellt, werden eine Reihe von Stößen auf die Versuchsanordnung mit eingespanntem Element gebracht. Damit wird das Verhalten der Elemente simuliert, wie in einem echten Einbau. Der Test bestätigt die Wirksamkeit dieser verbesserten Eigenschaften.

Peltier-Elemente

5

Extremtest für Alterungsvergleich:(entspricht nicht den normalen Betriebsbedingungen)

TECHNOLOGIE 40/90 Test Schock Test

Zeit in Stunden vor Ausfall Anzahl der Zyklen vor Ausfall Anzahl der Stöße vor AusfallStandard Element QC-127-1.4-6.0 49,2 649 352

Modifiziertes Element QC-127-1.4-6.0 M 3795 45002 7756

Hinweis: Das Ausfallkriterium für die Elemente: 5 % Widerstandsänderung

Anordnung für

40°/90°C Zyklentest

Aufbau des

Schockversuches

AI-BlockTemperatur

Strom

Lüfter

Kühl-rippen

QC-127-1.4-6.0Element

Lüfter

Aluminium Block220 gr.

TemperaturRegler

Relais

Gleichspannungsquelle

Spannungsquelle Lüfter

Peltier-Elemente

6

Die diagonale Optimum-Gerade Q0 / Qmax korrespon-diert mit der maximalen Kühlkapazität,die das gewählte Element erreichen soll. In dem Lei-stungs-Diagramm ist der Schnittpunkt der horizon-talen Linie T / Tmax und der diagonalen Optimum-Geraden Q0 / Qmax das Optimum.Der Schnittpunkt der horizontalen Linie mit der verti-kalen Achse ist das Maximum des Wertes Q0 / Qmax.Zur Bestimmung des Optimums und des Maximums der Kühlkapazität für das vorgesehene Element divi-diere man den errechneten Wert der Gesamtwär-meleistung durch den aus dem Diagramm entnom-menen relativen Wert. Nach der Allgemein-Spezifikations-Liste wählt man ein Element aus, mit Qmax größer als das Maximum Qmax, aber kleiner als das Optimum Qmax. Es ist empfehlenswert, dass das gewählte Element mit einem Qmax nah bei dem Optimum Qmax liegt, weil sich dadurch ein besserer Wirkungs grad ergibt. Ein Element, dessen Qmax nah zum Maximum Qmax liegt, ist zwar preiswerter, hat aber im Ergebnis eine kleinere Kühlkapazität.

Installation von Peltier Elementen Ein thermoelektrisches Element für jedwede Anwen-dungen enthält verhältnismäßig zerbrechliches Halb-leitermaterial, bei dem unter strengster Beachtung der Behandlungsvorschriften und Reihenfolge der Zusammenbau erfolgen muß.Die Nichteinhaltung der Behandlungsvorschriften führt zur Leistungsminderung oder zu Ausfällen. Ein ein-gebautes Peltier-Element sollte aus diesem Grunde nicht auch als Stützbauteil im Gerät dienen. Die Montagefläche des Elementes sollte ohne Schmutz sein und darf keine Unebenheit und Nichtparallelität größer 0,020 mm haben. Werden zwei Elemente oder mehr zusammen eingebaut, darf der Höhen-unterschied nicht mehr als 0,050 mm betragen.

maximale Anzahl der Temperaturdifferenz übereinander montierten im Vakuum, °C Elemente

72 1 94 2 110 3 117 4 Ist die gewünschte Temperaturdifferenz kleiner als 50°C , dann sind Elemente mit mehr als einer Stufe nicht effektiv.

Wie wählt man das richtige ElementDie Betriebsarten der Peltier - Elemente sind zahl-reich, aber die wichtigsten davon sind diese:

Die Betriebsart mit dem maximalen Energie-Nutzeffektist bestimmt durch niedrigen Energieverbrauch zur Erzielung der besten Kühlung.So wird der beste Wirkungsgrad erreicht.

Die Betriebsart mit der maximalen Kühlleistungist die am meisten gewünschte Art. Deshalb werden die meisten Elemente nach dieser Eigenschaft aus-gewählt.Dazu gibt es zwei notwendige Parameter zur Aus-wahl der richtigen Elemente:- thermische Last des Elementes- Temperatur-Differenz zwischen kalter Seite und warmer Seite.

Die gesamte Wärmemenge besteht aus der Wär-meabgabe des zu kühlenden Objektes und der ver-schiedenen Wärmeeinflüsse der Umgebung, wie Konvektion, Strahlung und Wärmeleitung der zu-sammengebauten Teile.

Die Temperaturdifferenz ist der Unterschied zwi-schen der Temperatur an der Seite, bei der die Wärme abgeführt wird und der Temperatur der Seite, der die Wärme zugeführt wird. Die unten stehende Tabelle zeigt die Anzahl der Stufen pro Element für die jeweilige Temperaturdif-ferenz.

Die richtige Auswahl von Peltier-ElementenAus dem Verhältnis der Betriebsparameter können mit dem Leistungs-Diagramm die Maximalwerte der einzelnen Parameter für das vorgesehene Element ermittelt werden.

Leistungs-Diagramm

Peltier-Elemente

7

Wie Elemente eingebaut werdenÜblicherweise werden die Elemente zwischen dem Kühlkörper und der Kühlplatte eingeklemmt. Die empfohlene Montageart ist in den Bildern 1 und 2 dargestellt.Zum Einbau der Elemente geht man wie folgt vor:

1. Streiche eine Schicht Wärmeleitpaste so dünn wie möglich auf die Kontakfläche des Kühlkörpers. Lege das Element an die vorgesehene Stelle und bewege vorsichtig mit den Fingern unter leichtem Druck das Element hin und her, um die über-schüssige Leitpaste auszupressen.

Hinweis: Von der Verwendung der üblichen Wärme-leitpaste mit Aluoxid ist Abstand zu nehmen, da der Füllstoff sehr schnell altert und damit der Wärmeüber-gang erschwert wird und sich das Peltier-Element über-mäßig erwärmt. Das kann zur vorzeitigen Zerstörung des Peltier-Elementes führen.

Vor dem Zusammenbau sind alle Kontaktflächen zu reinigen und von Fett zu befreien.

2. Streiche die Wärmeleitpaste auf die vorgese-hene Stelle der kalten Platte und lege das Element an die vorgesehene Stelle. Presse die überschüssige Leitpaste aus, wie vor beschrieben.3. Ungeachtet der Anzahl von 2, 3 oder 4 Klemm-schrauben sollte die Presskraft ca. 13 – 15 kg/cm² liegen. Unter diesen Voraussetzungen wird der Wär-meleitwiderstand minimiert. Nachdem die gefor-derten Drehmomente (s. Berechnungs - Beispiel) erreicht sind, müssen die Teile für eine Stunde ruhen. Danach sollte das Drehmoment nochmal geprüft und, falls nötig, korrigiert werden.

Zusätzlich Anmerkung: Bei Einhaltung der vorgesehe-nen Presskraft liegt der thermische Widerstand der Leit-paste mit Dicken über 0,03 mm bei 0,03 – 0,05°C/W bei einer Fläche von 40 x 40 mm. Natürlich hängen diese Angaben auch von der Sorte der Leitpaste ab. Beispiel:QC-127-1.4-6.0M (QUICK-COOL Allgemein-Spezifika-tion) sollte der Anpressdruck 210 – 240 kg sein. Werden die Elemente mit moderner Wärmeleitpaste montiert, dann können die Temperaturverluste auf der warmen Seite 2,7°C betragen. Werden 2 Klemmschrauben mit 4 mm Ø eingesetzt, sollte das Drehmoment 0,11 –0,12 kpm betragen. Wenn die erforderlichen Klemmkräfte für ein Element bekannt sind, kann man das Drehmoment pro Schraube berechnen:

Korrosionsschutz der Peltier-ElementeKorrosionsschutz der Peltier- Elemente ist die Ver-hinderung eines Korrosionsprozesses an den Löt-verbindungen bei Vorhandensein von Feuchtigkeit, welche aus der Umgebung bei Taupunktunterschrei-tung entsteht. Außer der Korrosion kann ange-sammeltes Wasser auch eine wärmeleitende Ver-bindung zwischen den Keramik-Platten herstellen, wodurch dann der Wirkungsgrad verringert wird.

QUICK-OHM bietet zwei Methoden für den Korro-sionschutz mit unterschiedlichen Auswirkungen und Arbeitsaufwand an:

1. Methode des internen Schutzes (Beschichtung)Wir empfehlen ihnen die Beschichtung der Ele-mente im Betrieb bei Minustemperaturen und bei Plus temperaturen unterhalb des Taupunktes. Die Beschichtungen überziehen alle Teile im Peltier-Element (besonders die Pellet-Lötverbindun-gen). Langzeitprüfungen in unterschiedlichen Umge-bungen für die mit Antikorrosionslack beschichteten Elemente zeigen deutlich, daß ein solcher Schutz für einen weiten Temperaturbereich von - 60 °C bis + 150 °C eingesetzt werden kann. Darüber hinaus wird der Wirkungsgrad auch durch das Fehlen der Wärmebrücke nicht vermindert.

2. Methode des externen Schutzes (Abdichtung)Externer Schutz wird erreicht durch Abdichtung der äußeren Seiten der Peltier-Elemente mittels Epoxyd- oder Silikon-Versiegelung.Im Vergleich mit Silikon ist eine Epoxyd -Versiegelung besonders geeignet bei starker Dampfkondensation, die bei Plusgraden unter dem Taupunkt entsteht.Mit Epoxyd gedichtete Elemente brauchen keinen weiteren externen Schutz beim Einbau in ein Gerät.Silikon- und Epoxyd -Dichtungen vermindern den Wirkungsgrad um ca. 4%.Die meisten Antikorrosionsschutz - Dichtmassen, wie sie in der Industrie für thermoelektrische Pro-

p = gewünschte Anpresskraft [kg]d = Schraubendurchmesser [mm]n = Anzahl der Klemmschrauben

Peltier-Elemente

8

dukte eingesetzt werden, haben eine gute Haftung mit dem Lack für die Beschichtung und bieten daher einen zusätzlichen Schutz.Auf Kundenanforderung macht QUICK-OHM den doppelten Schutz, z.B. Beschichtung und Silikon- oder Epoxyd - Versiegelung.

Korrosionsschutz Index:* Beschichtung.............................“C“* Silikon Dichtung........................“S“* Epoxyd Dichtung.......................“X“

Bemerkungen zur Speisung der ElementeThermoelektrische Elemente sind Bauteile für Gleichstrom.

Hat der Gleichstrom zur Speisung eine Wellig-keit, dann vermindern sich die typischen Werte nach folgender Formel:

T / tmax = 1 / ( 1 + K² )

dabei ist K der Brummfaktor.

z.B. Bei Tmax = 72 °C und Gleichstrom mit Wellig-keit der Spannungsquelle von K= 0,2 (20%)sind T / tmax = 1 / ( 1 + 0,2² ) = 0,96 T = 0,96 tmax = 0,96 x 72 = 69 °C

QUICK-OHM empfiehlt K 0,1 ( 10% )

Bei Verwendung von getakteten Netzteilen kann der Brummfaktor nach dieser Formel bestimmt werden:

K = I (Imp) / I (DC) x T (Imp) / T

I(Imp), T(Imp) sind Amplitude und Dauer der StrompulseI(DC) ist der Wert des GleichstromesT ist die Periodendauer des PulsesBei kurzzeitigen Pulsen im Speisekreis mit T 1 x 10-3 sec auf einer 10-fach größeren Amplitude von I(max) ergeben sich keine Nachteile für die Lebensdauer der TE Elemente.

mLTM300_N 24.4186N=

mLTM300_N mLTM300 g⋅:=

mLTM300 2.49kg:=

mLTM100_N 15.5926N=


mLTM100 1.59kg:=

mLTM75_N 14.5138N=


mLTM75 1.48kg:=

Massen und Gewichtskräfte der Lineartische

Maximales_Moment 15N m⋅:=

Maximale_Bewegte_Last 60N:=

Maximale_Last 150N:=

Maximale Belastungen

vmax_Last 0.00900 ms

=

vmax_Last 9 mms

:=

Maximale Geschwindigkeit

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Die Angaben zu den Lineartischen

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Die allgemeinen Angaben zu den Produkten und den Bauteilen

"___________________________________________________________________"

"___________________________________________________________________"Die statischen und dynamischen Berechnungen

1

mVerbindung_LTM300_N 3.9227N=

mVerbindung_LTM300_N mVerbindung_LTM300 g⋅:=

mVerbindung_LTM300 0.4kg:=

Für den Lieneartisch LTM80-300

mPhotomultiplier_Halter_N 1.0787N=

mPhotomultiplier_Halter_N mPhotomultiplier_Halter g⋅:=

mPhotomultiplier_Halter 0.11kg:=

Der Photomultiplierhalter

Masse und Gewichtskräfte der Verbindungselemente

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Die Angaben zu den Verbindungselementen

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

mDetektoren_sum 3.2362N=

mDetektoren_sum mKamera_N mPhotomultiplier_N+:=

Summe der Gewichtskräfte der Detektoren

mPhotomultiplier_N 0.9807N=

mPhotomultiplier_N mPhotomultiplier g⋅:=

mPhotomultiplier 0.1kg:=

mKamera_N 2.2555N=

mKamera_N mKamera g⋅:=mKamera 0.23kg:=

Massen und Gewichtskräfte der Detektoren

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Die Angaben zu den Detektoren

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

2

mZw_Sum_LTM75 3.4323N=

mZw_Sum_LTM75 mVerbindung_LTM75_N mWinkel_LTM75_N+:=

Summer für die Verbindungselemente am LTM 80-75

mWinkel_LTM75_N 1.7652N=

mWinkel_LTM75_N mWinkel_LTM75 g⋅:=

mWinkel_LTM75 0.18kg:=




Für den Lineartisch LTM80-75

mZw_Sum_LTM100 3.9227N=

mZw_Sum_LTM100 mVerbindung_LTM100_NmWinkel_LTM100_N+

...:=

Summe für die Verbindungselemente am LTM 80-100

mWinkel_LTM100_N 2.2555N=

mWinkel_LTM100_N mWinkel_LTM100 g⋅:=

mWinkel_LTM100 0.23kg:=




Für den Lineartisch LTM80-100

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Die Angaben zu den Verbindungselementen

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

3

mSum_Heb_3 6.6685N=

mSum_Heb_3 mDetektoren_sum mZw_Sum_LTM75+:=

Am Hebelarm_3 greifen nur noch die Gewichtskräfte der Detektoren, deren Halterung und dem Verbindungselement LTM75 an.

mSum_Heb_2 25.1050N=

mSum_Heb_2 mDetektoren_sum mZw_Sum_LTM100+mZw_Sum_LTM75 mLTM75_N++

...:=

Am Hebelarm_2 greifen alle Gewichtskräfte an, ausser die des Lineartisches LTM 80-300 und des Lineartisches LTM 80-100 und demVerbindungselement LTM300.

mSum_Heb_1 44.6203N=

mSum_Heb_1 mDetektoren_sum mVerbindung_LTM300_N+mZw_Sum_LTM100 mZw_Sum_LTM75++

...

mLTM75_N mLTM100_N++...

:=

Am Hebelarm_1 greifen alle Gewichtskräfte an, ausser die des Lineartisches LTM 80-300

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Die summierung der Massen, die Summe der Gewichtskräfte wird passend zu den Indiezes der Hebelarme gebildet.

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Hebelarm_3 124mm:=

Hebelarm_2 215.75mm:=

Hebelarm_1 187.5mm:=

Hier werden die Längen der Hebelarme angegeben, die für die Biegebeansruchungen und die Momentenbelastungen ausschlaggebend sindDie genaue Lage der Hebelarme sind der Abb. 6-2 der Diplomarbeit zu entnehmen.

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Die Angaben zu den Hebelarmen

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

4

"___________________________________________________________________"

Der Beginn der Berechnung"___________________________________________________________________"

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Kapitel 6.3.1.1) Angaben zur theoretischen Beschleunigung"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Die angenommene theoretische Zeit des Beschleunigungsvorganges

t_beschleunigung 0.5s:=

Berechnete Beschleunigung

a_theovmax_Last

t_beschleunigung:=

a_theo 18.0000 mm

s2=

Zurückgelegter Weg bei berechneter Beschleunigung

s_besch a_theo t_beschleunigung2⋅( )2

:=

s_besch 2.2500mm=

5

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Die Berechnung der maximalen Beschleunigung"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Fstell_max Maximale_Bewegte_Last:=

Fstell_max 60.0000N=

astell_maxmSum_Heb_1 g⋅

Fstell_max:=

astell_max 7.2929 m

s2=

astell_max 7292.9208 mm

s2=

tbesch_minvmax_Lastastell_max

:=

tbesch_min 0.0012s=

6

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

S_M_x_LTM100 2.7694=

S_M_x_LTM100 Maximales_MomentM_xLTM100

:=

statische Sicherheit bei 15Nm

M_xLTM100 5.4164N m⋅=

M_xLTM100 Hebelarm_2 mSum_Heb_2⋅:=

LTM80 - 100"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

S_M_zLTM300 1.7929=

S_M_zLTM300Maximales_Moment

M_zLTM300:=


M_zLTM300 8.3663N m⋅=

M_zLTM300 Hebelarm_1 mSum_Heb_1⋅:=

LTM80 - 300

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Die Berechnung der statischen Momente

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Die Ergebnisse zeigen, dass keiner der Lienartische über die Grenzender Herstellerangaben belastet wird.

Slineartisch 3.3617=

Slineartisch150 N⋅

mSum_Heb_1:=

Überprüfung der Tragfähigkeit der Lineartische. Es wird nur der Lineartisch LTM 80-300 berechnet, da die anderen geringer belastet werden.

"___________________________________________________________________"

Kapitel 6.3.1.2) Die Berechnung der statischen Momente und Kräfte, die auf die Lineartische wirken, Berechnugsangaben im Koordinatensystem der Lineartische

"___________________________________________________________________"

7

An diesem Ergebniss ist zu sehen, dass die Stellkraft weit über das benötigteMaß hinaus ausreichend ist.

SStellkraft_empf 732.6007=

SStellkraft_empf60 N⋅

Fdyn_1_empf:=

Überprüfung der Stellkraft des LTM 80-300 bei empfohlener Beschleunigung

Fdyn_1_empf 0.0819N=

Fdyn_1_empf a_theomSum_Heb_1

g⋅:=

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Bei empfohlener Beschleunigung am LTM 80-300"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Die Berechnung der Beschleunigungskräfte

"___________________________________________________________________"Die Berechnung der dynamischen Belastungen"___________________________________________________________________"

S_M_y_LTM75 18.1401=

S_M_y_LTM75 Maximales_MomentM_yLTM75

:=


M_yLTM75 0.8269N m⋅=

M_yLTM75 Hebelarm_3 mSum_Heb_3⋅:=

LTM80 - 75

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Die Berechnung der statischen Momente

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

8

Fdyn_2_max 18.6699N=

Fdyn_2_max astell_maxmSum_Heb_2

g⋅:=

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Bei maximaler Beschleunigung am LTM 80-100"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

SStellkraft 1.8082=

SStellkraft60 N⋅

Fdyn_1_max:=

Überprüfung der Stellkraft des LTM 80-300 bei maximaler Beschleunigung

Fdyn_1_max 33.1828N=


g⋅:=

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Bei maximaler Beschleunigung am LTM 80-300"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Da die dynamischen Kräfte bei empfohlener Beschleunigung sehr gering gegenüberden statischen Belastungen sind, erfolgt hier keine genauere Berechnung. Dies Sicherheit wird als ausreichend angenommen.

F_dyn_3 0.0122N=

F_dyn_3 a_theomSum_Heb_3

g⋅:=


F_dyn_2 0.0461N=

F_dyn_2 a_theomSum_Heb_2

g⋅:=


9

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Bei maximaler Beschleunigung am LTM 80-75"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"


g⋅:=

Fdyn_3_max 4.9592N=

Da die dynamischen Kräfte bei maximaler Beschleunigung um ein Vielfaches ansteigen, sollte die Beschleunigung auf das empfohlene Maß beschänkt werden.

10

AbsenkungNick_LTM75 0.0310mm=

AbsenkungNick_LTM75 tan Nickwinkelmax_LTM( ) Hebelarm_3⋅:=

LTM_75

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

AbsenkungGier_LTM100 0.0647mm=

AbsenkungGier_LTM100 tan Gierwinkelmax_LTM( ) Hebelarm_2⋅:=

LTM_100 "- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

AbsenkungGier_LTM300 0.0563mm=

AbsenkungGier_LTM300 tan Gierwinkelmax_LTM( ) Hebelarm_1⋅:=

AbsenkungNick_LTM300 0.0539mm=

AbsenkungNick_LTM300 tan Nickwinkelmax_LTM( ) Hebelarm_2⋅:=

LTM_300

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Gierwinkelmax_LTM 0.0172Grad=

Gierwinkelmax_LTM 300 10 6− rad⋅:=

Nickwinkelmax_LTM 0.0143Grad=

Werte sind Herstellerangaben

Nickwinkelmax_LTM 250 10 6−⋅ rad:=

Abgaben der maximalen Winkelauslenkung"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Kapitel 6.3.1.3) Die Berechnung der Absenkung infolge der Winkelauslenkung der Lineartische

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

11

ymVerbindung_LTM300 0.2401mm=

ymVerbindung_LTM300 mSum_Heb_1Hebelarm_13

3 E_Alu⋅ IVerbindung_LTM300⋅⋅:=

IVerbindung_LTM300 5833.3333 mm4=

IVerbindung_LTM300 70mm 10mm( )3

12⋅:=

Feste Einspannung und beansprucht auf Biegung

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Berechnung der statischen Durchbiegung des Verbindungselementes für die Lineartische LTM 80-100 und LTM 80-75

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Rp0.2 80 N

mm2:=

E_Alu 70000 N

mm2:=

Der E-Modul von Aluminium (Al Mg 3)

"___________________________________________________________________"Kapitel 6.3.2.1) Die Berechnung der statischen Durchbiegung der Verbindungselemente

"___________________________________________________________________"

AbsenkungWinkel_Summe 0.2059mm=

AbsenkungWinkel_Summe AbsenkungNick_LTM75AbsenkungGier_LTM100+

...

AbsenkungGier_LTM300+...

AbsenkungNick_LTM300+...

:=

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Summe der Absenkung auf Grund des Winkelversatzes"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

12

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Berechnung der statischen Sicherheit"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

WB_Verbindung_LTM30070mm 102⋅ mm2⋅

6:=

WB_Verbindung_LTM300 1166.6667 mm3=

σB_maxmSum_Heb_1 Hebelarm_1⋅( )WB_Verbindung_LTM300

:=

σB_max 7.1711 N

mm2=

S1Rp0.2

σB_max:=

S1 11.1559=

13

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Berechnung der statischen Lägenänderung der Aufhängung für LTM100"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Feste Einspannung und Stauchung durch Druck

AVerbindungswinkel_LTM100 70mm 10⋅ mm:=

AVerbindungswinkel_LTM100 700.0000 mm2=

l0 60mm:=

Fdruck mSum_Heb_2:=

Fdruck 25.1050N=

σdruckFdruck

AVerbindungswinkel_LTM100:=

σdruck 0.0359 N

mm2=

εdruckFdruck

E_Alu AVerbindungswinkel_LTM100⋅:=

εdruck 5.1235 10 7−×=

∆lVerbindungswinkel l0 εdruck⋅:=

∆lVerbindungswinkel 3.0741 10 5−× mm=

14

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Berechnung der statischen Durchbiegung des Auslegers für Detektoren"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Hier wird nur die geringere Dicke des Auslegers angegeben, die Verformung wird dadurch extremer.

Iträger_Detektoren 80mm 6mm( )3

12⋅:=

Iträger_Detektoren 1440.0000 mm4=

ymträger_Detektoren mSum_Heb_3Hebelarm_33

3 E_Alu⋅ Iträger_Detektoren⋅⋅:=

ymträger_Detektoren 0.0420mm=

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Berechnung der Summe der statischen Durchbiegung der Positionierung"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Hier wird ein eventueller Drehwinkel am Schlitten des LTM300 nicht berücksichtigt.

ymSumme ymträger_Detektoren ∆lVerbindungswinkel+

ymVerbindung_LTM300+

...:=

ymSumme 0.2822mm=

15

"___________________________________________________________________"Kapitel 6.3.2.2) Die Berechnung der Gesamtabsenkung der Detektoren

"___________________________________________________________________"Summierung der gesamten Absenkung der Detektoren auf Grund der Verformungen und des Winkelversatzes. Diese Verformungsangabe ist ein Extremwert, die Winkelverformungen sind maximale Werte.

AbsenkungGesamt ymSumme AbsenkungWinkel_Summe+:=

AbsenkungGesamt 0.4881mm=

"___________________________________________________________________"

Kapitel 6.3.2.3) Die Berechnung der Abschirmung"___________________________________________________________________"

Beanspruchung durch Biegung

Mbiege_Deckel_PE 250mm 1500⋅ N:=

Wbiege_Deckel_PE500mm 60mm( )2⋅⎡⎣ ⎤⎦

6:=

σPE_b_maxMbiege_Deckel_PEWbiege_Deckel_PE

:=

σPE_b_max 1.2500 N

mm2=

Sbiege_Deckel_PE

10 N

mm2⋅

σPE_b_max:=

Sbiege_Deckel_PE 8.0000=

16

SStütze 3.9281=

SStützeGewkrit

MonitorMasse_ges:=

Gewkrit 2553.2751 kg=

GewkritFKrit

g:=

FKrit 25039.074801N=

FKrit π2 Emod_St⋅ISäule

4 höhe_Säule2⋅⋅:=

Berechnung der kritischen Kicklänge bei senkrechter Belastung- Knickfall der festen Einspannung

WSäule 1835.4362 mm3=

WSäuleπ DSäule

4 dSäule4−( )

32DSäule:=

ISäule 3.0927 104× mm4=

ISäuleπ DSäule

4 dSäule4−( )⋅

64:=

ASäule 254.0292 mm2=

ASäuleπ DSäule

2 dSäule2−( )⋅

4:=

MonitorMasse_ges 650kg:=

sWand 3.25mm:=dSäule 28.5mm:=DSäule 33.7mm:=

höhe_Säule 800mm:=

Emod_St 210000 N

mm2:=

"___________________________________________________________________"Kapitel 6.3.2.4) Die Berechnung des Tragegestells

"___________________________________________________________________"

17

ym_Verbindung_LTM300_dyn 0.0036mm=

ym_Verbindung_LTM300_dyn Fdyn_1_maxHebelarm_13

3 E_Alu⋅ IVerbindung_LTM300_dyn⋅⋅:=

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Bei maximaler Beschleunigung"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

MBiege_dyn_1 0.0154N m⋅=

MBiege_dyn_1 Fdyn_1_empf Hebelarm_1⋅:=

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Überprüfung des Beschleunigungsmomentes"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

ym_Verbindung_LTM300_dyn 8.9941 10 6−× mm=

ym_Verbindung_LTM300_dyn Fdyn_1_empfHebelarm_13

3 E_Alu⋅ IVerbindung_LTM300_dyn⋅⋅:=

IVerbindung_LTM300_dyn 2.8583 105× mm4=

IVerbindung_LTM300_dyn 10mm 70mm( )3

12⋅:=

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Bei empfohlener Beschleunigung"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

Feste Einspannung und Biegung

Berechnung der dynamischen Durchbiegung des Verbindungselementesfür die LTM100 und LTM75

"___________________________________________________________________"Kapitel 6.3.3) Die Überprüfung der dynamischen Verformung

"___________________________________________________________________"

18

Da die Längenänderung durch den Temperatureinfluss sehr gering ist, kann diese vernachlässigt werden. Hier wird auf die Berechnung der anderen Verbindungselemente verzichtet, da diese alle kürzer sind und somit einer kleineren Längenänderung unterliegen. Da bei diesen geringen Längenänderungen nicht mit großen Eigenspannungen an den Befestigungsstellen zu rechenen ist, wird dieses nicht überprüft.

∆l 0.0428mm=

∆l l0 αtemp⋅ T1 T0−( )⋅:=

αtemp 23.8 10 6−⋅1K

:=

T1 323K:=

T0 293K:=

l0_V_LTM300 270mm:=

Längenänderung des Verbindungselementes des LTM 80-300

Bei der Berechnung des Temperatureinflusses wird davon ausgegangen, dass die Temperatur bei der Fertigung der Teile 20°C betrug und innerhalb der Abschirmung eine Temperatur von ca. 50°C erreicht wird.

"___________________________________________________________________"Kapitel 6.3.4) Die Berechnung des Einflusses der Temperatur

"___________________________________________________________________"

An diesem Ergebnis ist zu erkennen, dass die Verformung bei maximaler Beschleunigung wie erwartet um ein Vielfaches größer ist als bei empfohlener Beschleunigung. Das auftretende Biegemoment ist ebenfalls um ein Vielfaches größer. Wegen der möglichen Schwingungen sollte die Beschleunigung auf dass empfohlene Maß begrenzt werden.

MBiege_dyn_1_max 6.2218N m⋅=

MBiege_dyn_1_max Fdyn_1_max Hebelarm_1⋅:=

"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"Überprüfung des Beschleunigungsmomentes"- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -"

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Diplomarbeit Auslegung und Konstruktion eines Proton ... · Die Zusammenfassung _____ Die Zusammenfassung Das Thema dieser Diplomarbeit ist die Auslegung und die Konstruktion eines

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