Overview

Short description of work of sub-task 1:

To achieve the required homogeneity (ΔB/B < 10-4) in  an internal polarizing solenoid (thin, low mass, wt ~ 2 mm) the displacement of the thin sc-wire (∅ ~ 0.2 mm) has to be less than a tenth of the wire diameter. This sets very demanding conditions on the winding technique. As first step, we will refine the winding technique for thin superconducting wires in a collaborative R&D program to reach the required magnet parameters and to build a first high field polarizing magnet. The magnet parameters will be set in due considerations of the used target dilution refrigerator and the experimental constrains of the detector set-ups at MAMI and ELSA. Aftermath we intend to develop and design a combined low mass superconducting magnet system for DNP and to maintain the nucleon spin in any arbitrary direction for data taking. This scheme for the first time will allow to measure various (double) polarization observables in one setting and set-up at MAMI and ELSA. Recent studies and simulations have shown that the concept of the internal high field polarizing magnet is under the assumption of a given layer thickness scalable to moderate larger size solenoids (∅ ~ 30 cm). The scheme will be a major step forward for particle tracking in nonmagnetic large acceptance detector systems.

15.09.2021

Eine hochpräzise Wickelmaschine für dünne supraleitende Drähte

Die Herstellung von hochpräzisen supraleitenden Spulen für die Anwendung als „Interner supraleitender Polarisationsmagnet“ erfordert eine Wickeleinrichtung (Wickelmaschine)1 die einen in allen Schritten der Herstellung reproduzierbaren Prozess- bzw. Verfahrensablauf gewährleistet. Die Erfahrung mit der vor-handenen Wickelmaschine bei der Herstellung der ersten Prototypen der internen Spulen hat gezeigt, das der herkömmliche Aufbau einer Wickelmaschine mit angetriebenem Wickler, mechanisch gekoppeltem Vorschub und mitlaufendem passiven Abwickler nicht ausreicht, um die erforderliche Präzision beim Wi-ckeln des Drahtes im sogenannten Nasswickelverfahren prozesssicher zu gewährleisten. Die Verwendung der dünnen Supraleiter in orthozyklischen Wickelschemata erfordert daher eine Anpassung der Antriebskomponenten hin zu aktiven und unabhängigen Antrieben für Wickler, Vorschub und Abwickler. Besonders die Drahtführung und Zugspannungsregelung zwischen Abwickler und Wickler (Spulenkörper) galt es zu optimieren.

Neben der Genauigkeit der Drahtpositionierung in der Wicklung einer Spule ist die Funktion und der sichere Betrieb eines supraleitenden Magneten immer auch von der hohen Qualität der Verklebung der einzelnen Drähte im Windungspaket der Spule abhängig. Das Nasswickelverfahren mit geringviskosen Klebstoffen verlangt zwingend nach einem Aushärteverfahren, bei dem der rotierende Spulenkörper kontrolliert aufgeheizt und wieder abgekühlt wird. Es bietet sich also an, die beiden Prozessschritte wickeln und aushärten in einer „Aufspannung“ der Spule auf der Wickelmaschine nacheinander durchzuführen. Die Ausheizvorrichtung der vorhandenen Wickelmaschine bietet nur unzureichende Möglichkeiten die Temperatur auf dem Wickelkörper während des Aushärtevorgangs zu messen und muss dahingehend optimiert werden.

Die Anforderungen für die Optimierung des Herstellungsprozesses einer supraleitenden Spule wurden in einem Pflichtenheft zusammengetragen und mit den Entwicklungsmöglichkeiten der vorhandenen Wickelmaschine abgeglichen. Im Ergebnis zeigte sich, dass die vorhandene Wickelmaschine nur begrenzte technischen Entwicklungsmöglichkeiten bot, die technischen Verbesserungen umzusetzen. Umfangreiche Markrecherchen und Kontakte mit Herstellern von Wickelmaschinen ergaben zudem, dass keine kommerzielle Maschine unseren Anforderungen gerecht wird. Daher wurde von Grund auf ein komplett neues System in unserer Arbeitsgruppe entworfen und aufgebaut. Der prinzipielle Aufbau der neuen Wickelmaschine folgt dem einer herkömmlichen Maschine, mit zentralem Support für die Aufnahme des Spindelstocks (Wickler), des Reitstocks zum Spannen des Wickelkörpers, einer Drahtführung und zusätzlich den Einrichtungen für den Aushärteprozess des Spulenklebers.

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13.09.2021

Ein neuer 4He-Verdampfer-Kryostat zum Testen und Vermessen supraleitender Magnete für das polarisierte Target.

Für zukünftige Polarisationsmessung am Crystal Barrel Detektor an der Bonner Beschleunigeranlage ELSA soll das existierende polarisierte ‚Bonner Frozen Spin Target‘ zu einem ‚4π-continuous-mode polarized target‘ erweitert werden. Dabei wird im Dilution-Kryostaten des vorhandenen polarisierten Targets die sogenannte supraleitende ‚interne Haltespule‘ durch einen supraleitenden Magneten gleicher Bauform aber deutlich höherem Magnetfeld (B=2.5T) und besserer Homogenität (ΔB/B<10-4 ) ersetzt (interner Polarisationsmagnet)1,2. Der ‚interne Polarisationsmagnet‘ wiederum ersetzt den bisher verwendeten externen supraleitenden Polarisationsmagneten und durch den Wegfall des äußeren Magneten wird die ‚Figure of Merit‘ des polarisierten Targets deutlich verbessert.

Im Gegensatz zum ‚frozen spin mode‘ wird in diesem Schema während der Datennahme die Polarisation der Targetnukelonen kontinuierlich dynamisch (DNP) auf hohem Niveau gehalten3. Dies ergibt eine deutlich höhere mittlere Polarisation während des Streuexperiments und damit bei gleichbleibender Messzeit eine Steigerung der Qualität der Messdaten. Allerdings stößt man bei diesem Prinzip an die Grenzen des technisch machbaren bei der Herstellung des internen Polarisationsmagneten: die Spule (Solenoid) soll einerseits ein hohes Magnetfeld generieren und andererseits so dünn wie irgend möglich werden (Gesamtdicke aus Spulenträger und Windungen ≤ 2mm). Das bedingt die Verwendung dünnster supraleitender Drähte für den Magneten. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich aus der Homogenitätsanforderung: Da das homogene Feldvolumen von der gleichen Größenordnung wie das gesamte Feldvolumen des Magneten ist, werden an den Wickelprozess (Herstellungsprozess) der Spule höchste Ansprüche bezüglich der Positioniergenauigkeit der dünnen Drähte auf dem Spulenkörper gestellt4. Erste Prototypen konnten auf speziell für die Herstellung der Spulen in Physikalischen Institut entwickelten Spulenwickelmaschinen angefertigt werden. In aufwändigen Testverfahren wurden die Spulen bei 4.2K im Helium-Dewar vermessen. Es fehlte bisher jedoch eine einfache Möglichkeit die Eigenschaften der Spulen bei ihren Designparametern (1K, 2.5T) zu Untersuchen oder noch besser, ein einfaches polarisierbares Target-Sample in situ dynamisch zu polarisieren. Dieser kurze Bericht beschreibt das Design eines einfachen 4He-Verdampferkryostaten in dem über ein Einschubsystem die supraleitenden Spulen bei 1K betrieben werden können. Das System ermöglicht einen schnellen Wechsel der Spule auch bei kaltem Kryostaten und bietet alle Messmöglichkeiten zum Vermessen des Magnetfeldes mittels NMR oder Hallsonde. Darüber hinaus kann ein geeignetes Targetmaterial im Zentrum der Testspule bei 1.78T, 2T und 2.5T dynamisch polarisiert werden. Es handelt sich somit um eine realistische mit einem Polarisierten Target vergleichbare Testfacillity zum Vermessen der internen supraleitenden Magnete.

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