Laservibrometer unter härtesten Bedingungen Materialforschung am CERN Applikationsnote - Laservibrometer unter härtesten Bedingungen
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Laservibrometer unter härtesten Bedingungen Laservibrometer unter härtesten Bedingungen Materialforschung am CERN Applikationsnote
Materialforschung
Die stetige Steigerung der verfügbaren
Energien in Teilchenbeschleunigern,
wie z. B. dem Large Hadron Collider (LHC)
an der Europäischen Organisation für
Kernforschung (CERN), erfordert eine
Weiterentwicklung der Strahlreinigungs-
und Schutzsysteme.
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Laservibrometer
Mission possible
Ein Experiment zur Untersuchung von Hochleistungs- Versuchsanordnung
werkstoffen durch Beschuss mit hochenergetischen
Teilchenstrahlen am CERN Die Versuchsanordnung bestand aus einem Probenhal-
ter für unterschiedliche Materialien, der das Testen von
sechs verschiedenen Materialien (Bild 1) unter Proto-
nenbestrahlung mit verschiedenen Intensitäten bei einer
Energie von 440 GeV ermöglichte. Die Materialproben
und Probenhalter wurden so konstruiert, dass die zur
Erstellung von Werkstoffmodellen benötigten physikali-
schen Größen wie z. B. axiale und tangentiale Dehnung,
radiale Geschwindigkeit und Temperatur in Echtzeit
gemessen werden konnten. Die Daten wurden mit sehr
hohen Abtastraten erfasst, damit sie hinreichend genau
an die Stoßwellenprofile angepasst werden konnten.
Das Herausschleudern von Partikeln durch den Strahlauf-
prall wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera
gefilmt. Der Materialprobenhalter besteht aus einem
Vakuumbehälter und einer Probeneinfassung, bei der 12
Werkstoffprobenebenen in zwei 6er-Reihen angeordnet
sind. Die Probeneinfassung wurde mit einem Aktuator-
Was passiert, wenn hoch energetische Teilchenstrahlen system mit zwei Freiheitsgraden genau positioniert. Für
auf Schutzeinrichtungen wie z. B. Kollimatoren treffen? jedes zu testende Material wurden zwei verschiedene
Diese Frage ist für die Konstruktion von Teilchenbe- Probenformen gewählt: Eine zylindrische Geometrie
schleunigern sehr wichtig. Die Kollisionen bewirken für Versuche mit mittlerer Intensität zur Messung von
komplexe dynamische Phänomene wie Phasenüber- Druckwellen mit einfacher Form für einen Vergleich mit
gänge von Materialien, erheblicheDichteänderungen, der numerischen Simulation, sowie Zylinder mit einem
Druckwellenausbreitungen, Explosionen, Abplatzungen halbmondförmigen Querschnitt für Versuche mit hoher
von Materialfragmenten usw. Diese wurden zunächst Intensität, die die Veranschaulichung und fotografische
mit hochgradig nichtlinearen numerischen Model- Aufzeichnung von extremen Oberflächenphänomenen
len (sog. Hydrocodes) simuliert. Um experimentelle (Schmelzen, Materialspritzer, Materialabplatzungen
Daten für eine umfassende Charakterisierung wichtiger usw.) erlauben.
Werkstoffe zu erhalten, wurden im Oktober 2012 an der
CERN-Anlage HiRadMat (High Radiation to Materials) 1
entsprechende Experimente mit Messtechnik von Probenhalter
Polytec durchgeführt. mit sechs
unterschiedlichen
Materialien
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Zeile für die Rubrik
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Blick auf die
Proben über
einen Spiegel
und durch eine
Glasscheibe
Geräteausstattung für die Messung Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Die optischen Geräte (das Laser-Doppler-Vibrometer Zum Starten der RSV-150-Messungen wurde der ankom-
RSV-150 und eine Hochgeschwindigkeitskamera) wur- mende Protonenpuls als Trigger verwendet. Die dann
den in einem strahlungsgeschützten Bunker platziert, folgende Schwingungsmessung wurde für eine Dauer
40 m vom Probenhalter entfernt. Mit dem RSV-150 von 13 ms mit einer Abtastrate von 4 MHz aufgezeich-
wurde die Radialgeschwindigkeit der Außenfläche einer net. Typische Verläufe der Rohsignale von Dehnung und
zylindrischen Probe für jede Ebene gemes sen. Über ein radialer Geschwindigkeit sind im nachfolgenden
System aus Spiegeln (Bild 2) wurde der Laserstrahl des Bild 5 dargestellt. Dieses Ereignis entspricht dem Auf-
Vibrometers aus dem geschützten Bunker auf die Probe prall von 4,6 x 1012 Protonen auf den Glid cop®-Proben.
fokussiert. Um die in der Simulation des Strahlaufpralls Der Strahlaufprall auf die Probe ist hier bei 22 μs (t0)
vorausberechnete Resonanz messen zu können, wurde erfolgt. Die große Frequenzbandbreite und der große
das RSV-150 auf eine Messbandbreite von 2,5 MHz und Dynamikbereich des RSV-150 ermöglichen, die Druck-
einen Geschwindigkeitsmessbereich von 24 m/s erwei- wellengeschwindigkeit in der Probe (Zeit zwischen t0
tert. Die Durchlaufverzögerung der Signale im RSV-E- und der ersten Spitze bei 26 μs) zu messen. Die experi-
150-M-Controller war ebenfalls ein wichtiges Thema für mentell ermittelten Ergebnisse bestätigen die in der
diese Messung (die Geschwindigkeit der Teilchenstrah- Simulation vorausberechnete Druckwellengeschwindig-
len liegt nur knapp unterhalb der Lichtgeschwindigkeit). keit von etwa 4000 m/s in diesem Material. Diese Ergeb-
nisse unterstreichen auch die Hauptvorteile des RSV-150
für diese schwierige Umgebung: Bei Dehnungsmess-
streifen gehen die Signale während der ersten Mikrose-
kunden nach dem Aufprall verloren – möglicherweise
aufgrund von kapazitiven Kopplungseffekten und
elektromagnetischen Störungen. Die Daten aus dem
RSV-150 zeigen dagegen nur eine kleine Störung vor
dem Aufprall, die sich möglicherweise aus einer Inter-
ferenz zwischen dem RSV-Controller und dem vor dem
strahlengeschützten Bunker verlaufenden Strahl oder
einer möglichen Bewegung eines dicht an die Magnete
installierten Spiegels erklärt.
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Laservibrometrie
Autor/Kontakt
Michael Guinchard,
michael.guinchard@cern.ch,
Leiter Mechanical Measurement Lab
Konstruktionsabteilung, Gruppe für
Mechanik und Werkstoffkunde,
CERN – CH 1211 Genf 23
Dieser Artikel basiert auf der Publikation
A. Bertarelli et al., “High Energy Tests of
Advanced Materials for Beam Intercepting
Devices at CERN HiRadMat Facility”, 52nd
ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop
on High-Intensity and High-Brightness 3
Hadron Beams, 17. bis 21. September, RSV.150 Laser
2012 – Beijing, China, Doppler
http://cds.cern.ch/record/1552839/files/ Vibrometer im
EuCARDCON-2012-031.pdf Strahlungs-
geschützten
Bunker
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Blick in in die
Richtung des Ver-
suchsaufbaus aus
einer Entfernung
von 40 m
5
Zeile für die Rubrik
»Bedingungen, in denen keine Technologie
außer der Laser-Doppler-Vibrometrie überlebt.«
5
Vergleich
zwischen
Messergebnis und
Simulation:
Dehnung (links)
und
Geschwindig-
keit (rechts)
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Interview
Interview mit Michael Guinchard,
Verantwortlicher für das Mechanical
Measurement Lab, Gruppe für Mechanik
und Werkstoffkunde, CERN
Herr Guinchard, welchen Beitrag leistet das bedingungen nicht; eine optische Messung ohne Kontakt
Laser-Vibrometer bei der Suche nach dem und mit abgesetzten Elektronikgeräten war der beste
Higgs-Teilchen? Ansatz: das RSV-150 hat diese Anforderungen erfüllt.«
»Das RSV-150 hat nicht direkt zur Entdeckung neuer
Elementarteilchen beigetragen. Jedoch werden die Was wären die Alternativen zur Vibrometrie
während dieses Experiments durchgeführten Messun- gewesen?
gen an Hochleistungswerkstoffen die Strahlungsdetekto- »Wie bereits erläutert, hätten Kontaktsensoren diesen
ren für den LHC-Beschleuniger verbessern. Sie werden schweren Bedingungen nicht widerstanden, und die
für die Untersuchung höherer Teilchen-Energien und Anforderungen waren sehr hoch. Wenn der Strahl auf
Leuchtkräfte verwendet.« die Probe trifft, breitet sich die Druckwelle mit einer Ge-
schwindigkeit von etwa 4000 m/s in der Probe aus und
Wie hat das Vibrometer dabei geholfen, gegen- erzeugt an der Oberfläche eine Radialgeschwindigkeit
wärtige Probleme zu lösen oder zu vermeiden? von etwa 24 m/s bei einer Resonanzfrequenz von ca. 120
»Wir haben am CERN zwar umfangreiche Erfahrung mit kHz. Unter diesen Bedingungen kommt ausschließlich
der Messung mechanischer Effekte unter sehr schwierigen die Technologie der Laser-Doppler-Vibrometrie in Frage!«
Umgebungsbedingungen. Dieses Experiment jedoch
hat viele kritische Bedingungen vereint: Vakuum, hohe Wie gestaltete sich die Zusammenarbeit mit und
Strahlungsleistung (Berechnungen zeigen eine integrierte die Unterstützung durch Polytec?
Strahlungsdosis von 250 kGy), Protonenstrahl nur wenige »Das für diese Messungen verwendete RSV-150 wurde,
Millimeter von den Sensoren entfernt, und sehr schnelle ausgehend von einem bestehenden Gerät, für diese spe-
physikalische Effekte. Die Radialgeschwindigkeitsmessun- zifische Anwendung angepasst, um die Bandbreite auf
gen an den Proben wurden ebenfalls als sehr wichtige 2,5 MHz zu vergrößern. Polytec führte für uns Vorver-
Informationen betrachtet, mit Redundanz bei den suche zu den Rückstreueigenschaften der tatsächlichen
Spannungsmessungen an der Oberfläche der Proben. Proben durch und unterstützte uns vor Ort am CERN bei
Moderne Kontaktsensoren überleben diese Umgebungs- der optimalen Ausrichtung der Umlenkspiegel.«
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Übersicht
Versuchsaufbau
7
Polytec GmbH Polytec, Inc. Polytec Ltd. Polytec Japan Polytec China
(Germany) (USA) (Great Britain) Arena Tower, 13th floor Arena Tower, 13th floor
Polytec-Platz 1-7 North American Lambda House 3-1-9, Shinyokohama 3-1-9, Shinyokohama
76337 Waldbronn Headquarters Batford Mill Kohoku-ku, Yokohama-shi Kohoku-ku, Yokohama-shi
Änderungen der technischen Spezifikationen vorbehalten. OM_AN_VIB-G-24_2014_01_PDF_D
Tel. +49 7243 604-0 16400 Bake Parkway Harpenden, Herts AL5 5BZ Kanagawa 222-0033 Kanagawa 222-0033
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