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

Aug 24, 2019

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  • 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 B

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