Metrological characterization of a translating-coil magnetometer for measuring the field quality in dipole magnets

Abstract

The goal of this thesis is to present a novel measurement device, intended for the magnetic field measurement of accelerator magnets. We give a detailed description of the translating-coil magnetometer as an abstract model as well as a system. Measurements were performed on a reference dipole at CERN. We present the results from the metrological characterization campaign, along with an insight in the calibration procedure, which includes the derivation of systematic corrections. Our study of the results showed that the translating-coil magnetometer is a promising device for magnetic measurement actions. As underlying measurement principle, the Faraday law is used. It is applied on a coil moving along a path of interest through the magnet. Integrators digitize and integrate the voltage induced in the coil, which corresponds to the magnetic flux linked to the coil. An optical encoder is used to generate a trigger on a spatial basis for the integrators.Mathematically convolution is used to describe the link between the measured flux and the wanted field. A couple of approaches are presented to solve this inverse convolution problem. After analyzing the approaches in spatial as well as in frequency domain, it shows that a spline basis is the best approach. We used the measurement results to extract the pseudo multipole coefficients, which are a 3D extension of the field harmonics.

Das Ziel dieser Arbeit ist es ein neues Messgerät vorzustellen, welches zur Magnetfeldmessung von Beschleunigermagneten dient. Es wird eine detailierte Beschreibung des Translating-Coil Magnetometers als Modell sowie als System gezeigt. Messungen wurden an einem Referenzdipol am CERN ausgeführt. Es werden die Ergebnisse von der metrologischen Charakterisierungskampange, gemeinsam mit einer Erläuterung des Kalibrierungsprozesses, der die Herleitung von systematischen Korrekturfaktoren inkludiert, präsentiert. Die Untersuchungen zeigen, dass das Translating-Coil Magnetometer ein vielversprechendes Messgerät für magnetische Messungen ist. Als zugrunde liegendes Prinzip, wird auf das Farady Gesetz zurückgegriffen. Es wird angewendet auf eine Spule die sich entlang eines definierten Pfades durch den Magneten bewegt. Integratoren digitalisieren und integrieren die in der Spule induzierte Spannung, welche dem magnetischen Fluß durch die Spule entspricht. Ein optischer Encoder wird verwendet um ein Triggersignal abhängig von der Position für die Integratoren zu erzeugen. Mathematisch betrachtet wird eine Faltung verwendet um den Zusammenhang zwischen gemessenem Fluss und gesuchtem Feld zu beschreiben. Einige Ansätze werden präsentiert um das inverse Faltungsproblem zu lösen. Nach der Analyse im Ortsraum als auch Frequenzraum, zeigt sich, dass eine Spline Basis am besten geeignet ist. Die Messergebnisse werden verwendet um die pseudo-multipole Koeffizienten zu berechnen, welche eine 3D Erweiterung der Feldharmonischen darstellen.