Design and assembly of a torque magnetometer as an insert for a 17 T cryostat

Abstract

Die hohe Leistungsfähigkeit von REBCO (Rare Earth Barium Copper Oxide) Schichtleitern in starken Magnetfeldern und bei niedrigen Temperaturen macht sie im Vergleich zu anderen gängigen Tieftemperatur-Supraleitern zu einem vielversprechenden Kandidaten für den Einsatz in Fusionsreaktoren und Beschleunigern. Der Ersatz von herkömmlichen Supraleitern in Beschleunigermagneten durch REBCO-Leiter bei 4.2 K kann beispielsweise für energieeffizientere Beschleunigerkonstruktionen verwendet werden, da sie höhereMagnetfelder oder eine kompaktere Bauform bei gleicher Arbeitsleistung ermöglichen.Um den kritischen Strom von REBCO-Schichtleitern bei niedrigen Temperaturenmittels Transportstrommessungen zu bestimmen, müssen mehrere 1000 Ampere an einen Probenstreifen angeschlossen werden. Die daraus resultierende ohmsche Erwärmung der Stromzuführungen und Kontakte führt zu thermischen Problemen für stabile Transportstrommessungen. Das Problem ergibt sich aus der geringen Wärmekapazität des Systems bei diesen niedrigen Temperaturen. Die Zufuhr einer geringen Wärmemenge führt daher zu einem starken Anstieg der Temperatur. Dies führt zu instabilen Temperaturbedingungen und damit zu unzuverlässigen Messungen, da die Erwärmung des Bandes den gemessenen (temperaturabhängigen) kritischen Strom beeinflusst und umgekehrt. Diese Arbeit umgeht die geschilderte Problematik, indem ein Drehmomentmagnetometer für REBCO-Bandleiter entworfen und gebaut wurde. Das Magnetometer nutzt die Wechselwirkung zwischen einem externen Magnetfeld und dem magnetischen Moment, das durch die im vollständig magnetisierten Probenband zirkulierenden Superströme erzeugt wird. Aufgrund der Anisotropie des kritischen Stroms hängt die resultierende Kraft bzw.das resultierende Drehmoment vom Winkel zwischen der ab-Ebene des Probenbandes und dem externen Feld ab. Der Aufbau nutzt dies aus, indem der Bandleiter über ein mit einem Schrittmotor gedreht wird. Während der Bandleiter gedreht wird, wird die Kraft mit einem piezoelektrischen Sensor unterhalb des Bandleiters gemessen und das aufgebrachte Drehmoment mit einer Drehmomentzelle überwacht. Der neuartige Einsatz des piezoelektrischen Sensors in der kryogenen Umgebung ermöglicht hochpräzise Messungen von Kraftänderungen, während die Drehmomentzelle zur Redundanz und Kalibrierung des Messsystems dient. Auf diese Weise lässt sich die kritische Stromdichte des Probenstreifens in Abhängigkeit von Temperatur, angelegter Feldstärke und Winkel ermitteln.Diese Arbeit umfasst den Entwurf und den Bau des Drehmomentmagnetometers sowie erste Testmessungen.

The extraordinary performance of superconducting Rare Earth Barium Copper Oxide (REBCO) coated conductors (CC) in high magnetic fields and low temperatures makes them a promising candidate for application in fusion reactors and particle accelerators. Replacing the magnet conductor in accelerators with REBCO tapes at 4.2 K leads to more energy-efficient accelerator designs as they allow for higher magnetic fields or a smaller form factor with equal performance. To measure the critical current of REBCO coated conductors via transport currentmeasurements at low temperatures, multiple 1000 amperes need to be delivered to the sample tape. The resulting ohmic heating of the current leads and contacts causes thermal issues for stable transport current measurements. The problem arises from the low heat capacity of the system at these low temperatures, where even small heat loads induce a big temperature rise. This results in unstable temperature conditions leading to unreliable measurements, due to the heating of the tape influencing the measured (temperature-dependent) critical current and vice versa.The aim of this thesis is to circumvent this issue by designing and assembling a torque magnetometer for REBCO tapes. The magnetometer utilises the interaction between an external magnetic field and the magnetic moment generated by the supercurrents circulating within the fully magnetised tape.Due to the anisotropy of the critical current, the resulting force/torque depends onthe angle between the ab-plane of the sample tape and the external field. The setup will exploit this by rotating the tape via a stepper motor. As the tape rotates, the force will be measured with a piezoelectric sensor below the tape, while the applied torque will be monitored with a torque cell. The novel usage of a piezoelectric sensor within the cryogenic environment will measure changes in force with high precision, while the torque cell will be used for redundancy and calibration of the measurement system. As a result, the critical current density of the tape can be obtained, depending on temperature, applied field, and angle. This work includes the design and assembly of the torque magnetometer as well as first test measurements.