Design of the magnetic shielding for PERC

Abstract

Die neue Einrichtung PERC (Proton Electron Radiation Channel) ist eine neuartige Quelle von Neutronenzerfallsprodukte. PERC ist momentan in der Entwicklung durch eine internationale Kollaboration und wird an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) in Garching, Deutschland, aufgebaut werden. Die Hauptkomponente von PERC ist ein mehr als 11 m langes, supraleitendes Magnetsystem, mit einem starken, longitudinalen Magnetfeld von 0.5 T bis zu 6 T und einem Streufeld von 0.5 mT in 9 m Abstand. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit dem Design der Magnetfeldabschirmung. Dabei mussten folgende Punkte berücksichtigt werden: das Streufeld muss auf die Herzschrittmachergrenze reduziert werden, das interne Feld und dessen Homogenität dürfen nicht gestört werden, die zusätzlichen Kräfte auf die Spulen dürfen nicht destruktiv sein, und die Magnetfeldabschirmung muss mit dem begrenzten Platzverhältnissen am FRM II auskommen.<br />Aus experimentellen Gründen ist das Magnetsystem nicht axialsymmetrisch und muss daher in drei Dimensionen simuliert werden. Um die Rechenzeit zu reduzieren und gleichzeitig die numerische Genauigkeit zu erhöhen, wird nur eine Hälfte der Geometrie simuliert, und zwar durch Ausnutzung der Symmetrie von Magnet und Abschirmung.<br />Die Methode der finiten Elemente wurde verwendet, um die geeignetste Geometrie für die Abschirmung zu finden. Verschiedene Geometrien und Kombinationen von Abschirmungsmaterialen mit nichtlinearer Permeabilität wurden simuliert. Des Weiteren wurden Fertigungstoleranzen untersucht.<br />

The new facility PERC (Proton Electron Radiation Channel) is a novel source of neutron decay products. PERC is currently under development by an international collaboration and will be installed at the Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) in Garching, Germany. The main component of PERC is a more than 11 m long superconducting magnet system, with a strong longitudinal magnetic field of 0.5 T up to 6 T and a stray magnetic field of 0.5 mT at a distance of 9 m from PERC.<br />This master thesis focuses on the design of the magnetic shielding for PERC. The following aspects must be taken into consideration: the stray magnetic field must be suppressed to the cardiac pacemaker level of 0.5 mT, the internal magnetic field and its homogeneity should not be disturbed, the additional forces onto the coils must not be destructive, and the magnetic shielding must deal with the limited space conditions at FRM II.<br />For experimental reasons the magnet geometry is non-axisymmetric and therefore has to be modeled and simulated in three dimensions. In order to reduce the computing time and, at the same time, increase the numerical accuracy, only one half of the geometry is simulated by taking advantage of the symmetry of the magnet and its shielding.<br />The finite element method has been used to determine the most suited geometry for the magnetic shielding. Various geometries and combinations of shielding materials of non-linear permeability have been simulated.<br />In addition manufacturing tolerances have been investigated.