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Frankfurt University of Applied Sciences — Fachbereich 1

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Mobile Messtechnik am Teilchenbeschleuniger S-DALINAC
Fachbereiche > FB 1: Architektur • Bauingenieurwesen • Geomatik > Labore, Werkstätten, Einrichtungen > Labor für Industrielle Messtechnik > S-DALINAC - Einmessung des Darmstädter Elektronenlinearbeschleuniger

Mobile Messtechnik am S-DALINAC

Darmstädter Elektronenbeschleuniger

S-DALINAC (Beschleunigerhalle)
S-DALINAC (Beschleunigerhalle)

Der Supraleitende Darmstädter Elektronenlinearbeschleunigers (S-DALINAC) ist ein zweifach rezirkulierender Elektronenlinearbeschleuniger, der vom Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt betrieben wird. Der Elektronenstrahl lässt sich bei Nutzung beider Rezirkulationen derzeit auf bis zu 130 MeV beschleunigen.

Um den gegenwärtigen Strahlenverlauf geometrisch zu dokumentieren und als Planungsgrundlage für zukünftige Erweiterungen zu nutzen, waren die Di- und Quadrupole entlang der Strahlführung sowie die Position des Strahlrohrs zwischen den Kryostatmodulen messtechnisch zu erfassen. Neben den geometrischen Positionen waren auch die Ausrichtungen und Neigungen der einzelnen Di- und Quadrupole abzuleiten.

Aufgabenspektrum und Herausforderungen

Einmessung von Dipolen mit AT401
Lasertracker AT401 zum Einmessen von Dipolmagneten am S-DALINAC

Die geforderte räumliche Punktgenauigkeit lag bei maximal 5/10 mm, weshalb das Labor für Industrielle Messtechnik auf den mobilen Lasertracker AT401 von Leica zurückgriff. Der AT401 ist mit einer 3D-Punktunsicherheit von 15 µm+6 µm/m spezifiziert. Neben der hohen Messgenauigkeit zeichnet sich dieser mobile Lasertracker durch eine vergleichsweise kompakte Bauweise aus, die ein flexibles Positionieren des Messinstrumentes im Objektraum ermöglicht.

Insgesamt wurden 66 Magneten (26 Dipole und 40 Quadrupole) entlang der Strahlführung sowie Teile des Strahlrohrs zwischen den Kryostatmodulen taktil erfasst. Von 31 Standpunkten wurden über 2100 Punktbeobachtungen zu 1500 Objektpunkten durchgeführt. Der Realisierung des datumsgebenden Referenzrahmens erfolgte durch 18 Drift-Nester. Die vollständige messtechnische Erfassung konnte innerhalb von zwei Wochen abgeschlossen werden.

In Kooperation mit dem Labor für Geoinformation erfolgte eine vollständige räumliche Aufnahme mit einem Laserscanner FARO Focus3D S 120. Die hierbei registrierte Punktwolke liefert wichtige Kenngrößen, um logistische Fragestellungen oder räumliche Restriktionen ohne Hallenzutritt zu beantworten.

Analyse- und Auswertestrategien

Koordinaten-basierte Netzausgleichung mit UNƖTƐD
UNƖTƐD - Software zur sachgerechten, koordinatenbasierten Netzausgleichung von Lasertrackerdaten nach GUM

Die Verknüpfung der Standpunkte zu einem Gesamtnetz erfolgte durch eine Bündelausgleichung auf der Basis kartesischer Koordinatenbeobachtungen. Hierfür setzt das Labor für Industrielle Messtechnik ein selbstentwickeltes Ausgleichungsprogramm ein, welches in Anlehnung an den Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen (engl. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement; GUM) den gesamten Messprozess in ein umfassendes Stochastisches Modell im Auswerteprozess abbildet. Linearisierungsfehler in der Modellbildung werden wahlweise durch den Einsatz der Monte-Carlo Simulation oder der weniger rechenintensiven Unscented Transformation minimiert.

Ausgeglichener Doppelzylinder
Plot eines ausgeglichenen Doppelzylinders

Die aus der Ausgleichung stammenden Koordinaten wurden zum Ableiten von Formparametern unter Berücksichtigung der vollbesetzten Varianz-Kovarianz-Matrix herangezogen. Bedingt durch das Aufnahmeverfahren des zylindrischen Strahlrohrs zwischen den Kryostatmodulen ergab sich als geometrische Figur ein Doppelzylinder, welcher mit Verfahren der Formanalyse zu bestimmen war. Die Ableitung der Ausrichtung und Neigung der Di- und Quadrupole erfolgte über Regressionsebenen, wie sie auch bei der Einmessung von Fächerecholoten Anwendung finden. Insgesamt konnte mit einer räumlichen Punktunsicherheit von 0,2mm (k=2) für die Objektpunkte die o.g. Anforderungen für Einzelpunktpositionen und abgeleitete Größen erfüllt werden.

Publikationen

Arnold, M., Grewe, R., Pforr, J., Pietralla, N., Eschelbach, C., Lösler, M., Hug, F., Kürzeder, T.: Construction and Status of the thrice Recirculating S-DALINAC. In: Pranke, J., Zimmermann, F. (Hrsg.): Proceedings of 8th International Particle Accelerator Conference (IPAC2017), 14.-19. Mai 2017, Kopenhagen, Dänemark, ISBN 978-3-95450-182-3, S. 1384-1387, 2017.

Eschelbach, C., Lösler, M., Winkemann, P., Arnold, M., Pietralla, N.: Einsatz mobiler Lasermesstechnik bei der Erfassung von Strahlführungselementen eines Elektronenlinearbeschleunigers. Allgemeine Vermessungs-Nachrichten (AVN), Vol. 124(3), S. 61-69, 2017.

Eschelbach, C., Lösler, M., Winkemann, P., Arnold, M., Pietralla, N.: Einsatz mobiler Lasermesstechnik zur Aufnahme von Strahlführungselementen eines Elektronenlinearbeschleunigers. In: Luhmann, T., Schumacher, C. (Hrsg.): Photogrammetrie - Laserscanning - Optische 3D-Messtechnik: Beiträge der 15. Oldenburger 3D-Tage 2016, Wichmann, S. 307-318, 2016.

Lösler, M., Arnold, M., Bähr, H., Eschelbach, C., Bahlo, T., Grewe, R., Hug, F., Jürgensen, L., Winkemann, P., Pietralla, N.: Hochpräzise Erfassung von Strahlführungselementen des Elektronenlinearbeschleunigers S-DALINAC. Zeitschrift für Geodäsie, Geoinformatik und Landmanagement (ZfV), Vol. 140(6), S. 346-356, 2015.

Lösler, M., Eschelbach, C.: Konzept zur Realisierung eines Prototypen zur sachgerechten Auswertung von polaren Beobachtungen. Allgemeine Vermessungs-Nachrichten (AVN), Vol. 119(7), S. 249-258, 2012.

Michael LöslerID: 13746