Methodenentwicklung zur Auslegung segmentierter Schienenbeschleuniger, welche mehrphasig betrieben werden können

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Realisierbarkeit von linearen elektromagnetischen Schienenbeschleunigern, welche mit mehrphasigem Wechselstrom betrieben werden. Basierend auf den grundsätzlichen physikalischen Vorgängen, die beim Betrieb solcher Beschleuniger auftreten, wird zunächst im ersten Schritt eine theoretische Modellierung entwickelt. Dieses Modell wird dann soweit erweitert, dass es zur Berechnung und Simulation eines Experimentalaufbaus eingesetzt werden kann. Hierfür werden insbesondere analytische Formelausdrücke hergeleitet und die Ergebnisse mit kommerziellen Simulationsprogrammen verglichen. Ferner wird die Integration von zusätzlichen magnetfeldverstärkenden Spulen in das Modell beschrieben. Die daraus resultierenden Erkenntnisse werden im zweiten Schritt dazu eingesetzt, einen experimentellen Beschleuniger aufzubauen. Es wird gezeigt, welche Messtechnik für die praktischen Versuche benötigt wird und es werden eigens Messaufbauten konzipiert und gebaut sowie neue Messmethoden entwickelt und angewandt. Im Mittelpunkt dieser Betrachtungen steht die grundsätzliche Realisierbarkeit eines solchen Aufbaus mit Blick auf mögliche Anwendungsgebiete. Daher stehen insbesondere auch die Haltbarkeit und die Betriebssicherheit des Beschleunigers im Vordergrund. Die Experimentergebnisse werden dann im dritten Schritt dazu eingesetzt, den vorhandenen Versuchsaufbau zu optimieren und einen zweiten, entsprechend verbesserten Beschleuniger zu konstruieren. Es wird gezeigt, wie sich diese jeweils einzeln, aber auch modular hintereinander geschaltet verhalten, um einen segmentierten Beschleuniger nachbilden zu können. In Schritt vier werden dann die gesamten Experimentergebnisse analysiert und mit der theoretischen Vorhersage verglichen. Auf der Basis dieses Vergleichs von theoretischer Modellierung und praktischen Ergebnissen werden die erhaltenen Resultate interpretiert. Schließlich wird das erhaltene Modell zur Beschreibung und Auslegung eines mehrphasigen Schienenbeschleunigers angewendet, um einen möglichen, künftigen Anwendungsfall zu simulieren.

This thesis deals with theoretical and experimental investigations into the feasibility of linear electromagnetic rail accelerators, which are operated with multiphase alternating current. Based on the basic physical processes that occur during the operation of such accelerators, a theoretical model is developed in the first step. This model is then extended to the extent that it can be used to calculate and simulate an experimental setup. For this purpose, in particular, analytical formula expressions are derived and the results are compared with commercial simulation programs. Furthermore, the integration of additional magnetic field amplifying coils into the model is described. In the second step, the acquired knowledge is used to set up an experimental accelerator. It is shown which measurement technology is required for the practical tests, special measurement setups are designed and built, and new measurement methods are developed and applied. The focus of these considerations is the basic feasibility of such a structure with a view to possible areas of application. Therefore, the durability and operational safety of the accelerator are particularly important. In the third step, the experimental results are then used to optimize the existing experimental setup and to construct a second, correspondingly improved accelerator. It is shown how these behave individually, but also in a modular fashion in order to be able to emulate a segmented accelerator. In the fourth step, the overall experimental results are then analyzed and compared to the theoretical prediction. Based on this comparison of theoretical modeling and practical results, the obtained results are interpreted. Finally, the model obtained is used to describe and design a multi-phase rail accelerator in order to simulate a possible future use case.