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Development of a cryogenic target system with optimal access to reaction detectors [Elektronische Ressource] / von Mamdouh Mohamed Abd El-Bary Dewidar

131 pages
“Development of a Cryogenic Target System with Optimal Access toReaction Detectors”Von der Fakultät für Maschinenwesender Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachenzur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors derIngenieurwissenschaften genehmigte DissertationvonMamdouh Mohamed Abd El-Bary DewidarausEl-Menoufia/Ägypten2004Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar“Development of a Cryogenic Target System with Optimal Access toReaction Detectors”Von der Fakultät für Maschinenwesender Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachenzur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors derIngenieurwissenschaften genehmigte Dissertationvorgelegt vonMamdouh Mohamed Abd El-Bary DewidarausEl-Menoufia/ÄgyptenBerichter: Univ.- Prof. Dr.-Ing. Lorenz SingheiserUniv.- Prof. Dr. rer. nat. Kurt KilianTag der mündlichen Prüfung: 20. Februar 2004Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbarBerichte des Forschungszentrum Jülich; 4115Institut für Kernphysik; Jül- 4115ISSN – Nr. 0944-2952ACKNOWLEDGEMENTI would like to express my sincere thanks and gratitude to Univ.- Prof. Dr. rer. nat. KurtKilian , director of Nuclear Physics Institute, Research Center Juelich (IKP, FZ-Juelich) forthe time and effort that he devoted to the supervision, guidance and creative suggestions anddiscussions during all the stages of this work.
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“Development of a Cryogenic Target System with Optimal Access to
Reaction Detectors”
Von der Fakultät für Maschinenwesen
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
von
Mamdouh Mohamed Abd El-Bary Dewidar
aus
El-Menoufia/Ägypten
2004
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar“Development of a Cryogenic Target System with Optimal Access to
Reaction Detectors”
Von der Fakultät für Maschinenwesen
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der
Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Mamdouh Mohamed Abd El-Bary Dewidar
aus
El-Menoufia/Ägypten
Berichter: Univ.- Prof. Dr.-Ing. Lorenz Singheiser
Univ.- Prof. Dr. rer. nat. Kurt Kilian
Tag der mündlichen Prüfung: 20. Februar 2004
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbarBerichte des Forschungszentrum Jülich; 4115
Institut für Kernphysik; Jül- 4115
ISSN – Nr. 0944-2952ACKNOWLEDGEMENT
I would like to express my sincere thanks and gratitude to Univ.- Prof. Dr. rer. nat. Kurt
Kilian , director of Nuclear Physics Institute, Research Center Juelich (IKP, FZ-Juelich) for
the time and effort that he devoted to the supervision, guidance and creative suggestions and
discussions during all the stages of this work.
I would like to express my sincere thanks to Univ.- Prof. Dr.- Eng. Lorenz Singheiser,
director of Microstructure and Properties Institute (IWV2, FZ-Juelich), for his supervision,
continuous help and his contribution in carrying out the thesis.
I would like to express my sincerDr.- Eng. E. El-Magd, Faculty of
mechanical Engineering, Aachen University (RWTH Aachen) for his continuous help and
support during this work.
I would like to express my sincere thanks to Univ.- Prof. Dr.- Eng. K. Kugeler, Head of the
Institute of Safety Research for Nuclear Plants (ISR) for his continuous help and support
during this work.
I would like to express my sincere thanks to Dr. Eng. S. Abd El-Samad (Cyclotron project,
Nuclear Research Center, Cairo Egypt) for his valuable help and discussion during the
experimental work.
My deep thanks to Dr. T. Sefzick, Dipl.-Eng. N. Dolfus, Eng. J. Sarkadi (the Electronic Lab. -
IKP) and Eng. K. Krafft (the Cyclotron - IKP) for their help during the developments,
installation and tests for the TOF vacuum automatic control system and the experimental tests
and discussions.
My deep thanks to Dr. E. Roderburg (TOF group speaker- IKP) for his useful discussions and
help during this work.
My deep thanks to Dipl.-Eng. H. Hadamek (The mechanical workshop - IKP), for his
valuable help during the experimental tests, he fabricated all the required mechanical parts
(condensers, different Heat pipes and tubes) which were the basis of this work.
My deep thanks to Dipl.-Eng. N. Paul and Mr. J. Uehlemann for their valuable help in the
LH2 laboratory during the preparation for the tests and the mechanical manipulations.
I am very grateful to Prof. Dr. N. Comsan, Prof. Dr. Z. Saleh, Prof. Dr. A. Azzam, and Prof.
Dr. S. Saad, NRC, AEA, Egypt for their kind support.
I am very grateful to the INT and IKP, FZ-Juelich, Germany for the fellowship.
Finally, I am very grateful to my family for their patience all these years.
IKP, FZ-Juelich, Germany, 2004 Mamdouh Mohamed Abd El-Bary
-I--II-CONTENTS
ACKNOWLEDGEMENT………………………………………………………….. I
NOMENCLATURE………………………………………………………………… VI
ZUSAMMENFASSUNG…………………………………………………………… VII
ABSTRACT…………………………………………………………………………. IX
1- INTRODUCTION …………………………………………………………….. 1
1-1) The COSY Facility……………………………….…………………………... 1
1-2) The BIG KARL Spectrometer…………………..………………………….... 3
1-3) The Time Of Flight Experiment………………..…....………………………. 4
1-4) Requirements for the LH Target…………………………….………….…… 52
1-5) Heat Pipes…………………………………………………………………….. 8
2- STATE OF THE ART ………………………………...……………………... 11
2-1) Literature about Liquid Hydrogen/Deuterium targets...……………………… 11
2-2) Relevant Literature about Heat Pipes ………………...……………………… 12
2-3) Control Systems……………………………………...………………………. 13
3- THE GOAL OF THE WORK AND CONSEQUENCES …………………... 15
3-1) Overview of the Objectives...………………………………………………… 15
3-2) Reduction of Passive Material…………………………………………….…. 17
3-3) Advanced Target Systems………………………………………………….… 18
4- EXPERIMENTAL ASPECTS……………………..……………………….… 19
4-1) Target Test Apparatus………………………………………………………... 19
4-2) The Pressure Stabilization System…………………………………………… 20
4-3) The Cold Head……………………………………………………………….. 20
4-4) Measurements of Target Parameters…………………………………………. 21
4-5) Target Cooling by the Heat Pipe……………………………………………... 23
4-6) Heat Pipe Target System Performance Measurements………………………. 27
4-7) TOF Vacuum System……………………………………….……………….. 27
4-8) TOF Vacuum and Temperature Measurements……………………………… 28
4-9) Vacuum Performance Around the Target …………………………………… 29
5- RESULTS AND DISCUSSIONS …………………………….………………. 33
5-1) History of Developments …………………………………………………… 33
5-2) Condenser …………………………………………………………………... 35
5-2-1) The Condenser Material…………..……………….………………….. 35
5-2-2) Improvements with Aluminum Condenser………..………………….. 36
-III-5-3) Heat Pipe Target System …………………………………………………... 40
40 5-3-1) The Standard Target System with 7mm Heat Pipe …………………...
40 5-3-1-1) Construction and properties…………………………………………
40 5-3-1-2) The cool down time ……………………………………………..….
5-3-2) The 2m Heat Pipe Target System ……….…………………………….. 44
5-3-2-1) Construction …………………………….…………………………. 44
5-3-2-2) The cool down time ………………………….……………………. 46
5-3-2-3) Behavior in the steady state operating mode………………………. 52
5-3-2-4) Temperature difference between the HP condenser and evaporator. 52
5-3-2-5) Thermal conductivity…..………………………………………….. 55
5-3-2-6) Liquid mass in the heat pipe target system ………………………... 59
5-3-2-7) Transport of mass and heat……………………………………..….. 61
5-3-2-8) Pressure in the heat pipe target system……………………………. 63
5-4) Regulation of Condenser Temperature ………………………………….. 66
5-4-1) Condenser Temperature Fluctuation……………………………….……... 66
5-4-2) Fluctuation with Thermal Resistance and Heating……………………….. 68
5-4-3) Control of the Cool down Time with Thermal Resistance…………..…… 69
5-5) Cold Gas Target …………………..……………………..………………… 72
5-5-1) Why Cold Gas Target …………………………………………………… 72
5-5-2) Cold Gas Target Principle………………………………………………... 74
5-5-3) Heat Pipe Modification………………….………………………………... 75
nd 5-5-4) Diffusion Through the Rubber Balloon (2 Gas Reservoir)……………… 76
5-5-5) Cold Gas Target Performance Measurements…………………….………. 78
5-6) The Automatic Control System (ACS) for the Vacuum…...……………... 82
5-6-1) Construction of the ACS...…………………………….…………………... 82
5-6-2) Possibilities in the ACS…………………………………………………… 84
5-6-3) Testing the ACS…………………………………………………………… 85
5-6-4) The ACS User Interface ……………...…………………………………… 86
5-6-5) Implosion Monitor for TOF Vacuum Safety……………………………… 87
6- ASPECTS OF COOL DOWN TIME.………………………………………… 90
6-1) Estimation of the Cool down Time ……………………………..………… 90
6-1-1) Condenser………………………………………………………………….. 90
6-1-2) 7mm- Diameter Heat Pipe…………..……………………………………... 91
6-1-3) Cold Gas Target………………………………….………………………... 92
6-2) Future Changes and Improvements……...……………………………….. 92
6-2-1) Different Shapes of Heat Pipes.. ………………………………………….. 92
6-2-3) Ceramic Condenser ……………………………………………………… 93
-IV-6-3) Possible Improvements ……………………………….….………………… 93
6-3-1) Thinner Beam Windows of the Target Cell………...…...………………… 93
6-3-2) The Temperature Gradient in the Cold Gas Target Cell……..……………. 94
7- FURTHER APPLICATIONS FOR THE LH TARGET ………………...… 952
7-1) The Use for COSY Experiments …………………………………………... 95
7-1-1) Heat Pipes with Different Shapes……………...………………………….. 95
7-1-2) Target Cells with Different Shapes and Thickness.……………………….. 95
7-1-3) Cold Gas Target for TOF………………………………………………….. 96
7-2) Using LH in Other Facilities ……………………………………………..2 96
7-2-1) Cherenkov Counters……………………………………………………..... 96
7-2-2) LH as a car Fuel ………………………………………………………….2 98
8- CONCLUSION ……………………………………………………………….. 100
9- REFERENCES ……………………………………………………………….. 102
10- APPENDICES …………………………………...……………………………. 107
A: Cryogenic Cooling Unit…………………………………………………………... 107
B: Phase Diagram of H and D …………………………………….………………..2 2 109
C: Phase Diagram of N and CH …………….……………………….……………..2 4 109
3 4D: Thermal Properties for H , D , N , CH , He, He and Air……………………...2 2 2 4 110
E: Electronic Components.…………………………………………………………… 111
F: ACS Flow Charts……………………...…………………………………………... 112
LEBENSLAUF …………………………………………………………………….. 117
CURRICULUM VITAE…………………………………………………………… 118
-V-NOMENCLATURE
A cross-sectional area of vapor flow passage;v
Aa of liquid flow passage;l
C specific heat;
D diameter of vapor flow passage;v
Eenergy;
-19e electron charge 1.6×10 As;
g gravitational acceleration;
h latent heat of vaporization;fg
K thermal conductivity;
L Luminosity;
L length of the adiabatic section;a
L length of the condenser section;c
L lengevaporator section;e
m mass flow rate;
23 -1N Avogadro’s number 6.022×10 mol ;A
P pressure;
P pressure at the critical point;cr
Pat the triple point;tr
P vapor pressure;v
Q heat transfer rate;
R universal gas constant;
rradius;
Re Reynolds’ number;
S entropy;
T temperature;
T temperature at the critical point;cr
T condenser temperature;c
T evaporator temperature;e
T saturation temperature;sat
T temperature at the triple point;tr
Vvelocity;
Greek symbols
µViscoity;
θ inclination angle to the horizontal;
ρ density;
σ liquid surface tension;
σ Reaction cross section (barn)pp
Subscripts:
Ag silver;
Al aluminum;
Cu copper;
eff effective;
HP heat pipe;
l liquid;
tr triple point;
v vapor;
-VI-ZUSAMMENFASSUNG
Am COSY Beschleuniger des Forschungszentrums Jülich wird ein Flüssig-Wasserstoff/-
Deuteriumtarget in den externen Experimenten TOF, GEM und MOMO eingesetzt. Durch
die Kombination eines eng kollimierten Strahles mit ≈1mm Durchmesser mit dem sehr
kleinen Target wird der Wechselwirkungsort auf wenige kubik Millimeter festgelegt. Um
Sekundärreaktionen auf ein Minimum zu reduzieren, sollte die Targetzelle so wenig
zusätzliches Material wie möglich zwischen eigentlichem Target und Detektor einbringen.
Deshalb wurden Targetzellen mit extrem dünnen Wänden über einen Galvanisierungsprozeß
hergestellt. Der bislang aus Kupfer gefertigte Kondensor besteht mittlerweile aus Aluminium.
Dadurch konnte der Materialaufwand von 100 g auf 20 g reduziert werden. Gleichzeitig
konnte die Zeit zum Abkülen des Kondensors von Zimmertemperatur (300 K) auf die
Temperatur flüssigen Wasserstoffs bzw. Deuteriums (ca. 16 K) von 52 auf 38 Minuten
verringert werden.
Das Verbindungsrohr zwischen Kondensor und Targetzelle wurde im Durchmesser von
16 mm auf 7 mm weiter verengt, wodurch 30% an Material eingespart werden konnte und die
Abkühlzeit des Wärmerohrs von ursprünglich 18 Minuten auf nunmehr 8 min verringert
wurde. Am Kondensor wurde ein Durchmesser von 16 mm beibehalten, um eine genügend
große Kontaktfläche zu gewährleisten. Das 7-mm-System hat geringere Wärmekapazität,
eine höhere Wärmeleitfäligkeit, fängt wegen der verkleinerten Oberfläche weniger
Wärmestrahlung aus der Umgebung ein und besitzt eine höhere Dampfgeschwindigkeit im
engeren Rohr, wodurch das System schneller und empfindlicher auf die geregelte Heizung
reagieren kann.
Sowohl für TOF als auch den in Aussicht gestellten WASA Detektor aus Uppsala wurde
ein Targetsystem mit einem 200 cm langen Wärmerohr (mit7 mm Durchmesser) entwickelt
und mit den vier Standardgasen H , D , N und CH getestet. Um jeweils 9,45 l Gas bei 2282 2 2 4
mbar von 300 K auf die benötigte Endtemperatur abzukühlen, wurden Zeiten von 107, 200,
54 und 38 min erzielt. Auch hier zeigte sich der Vorteil des engeren Rohrdurchmessers: für
H wurde bei Verwendung eines 16 mm Rohrs eine Zeit von 320 min gemessen gegenüber2
nur 107 min bei einem Durchmesser von 7 mm. Kennkurven wurden für die drei Gase H ,2
N und CH unter Gleichgewichtsbedingungen aufgenommen. Der Einfluß von2 4
Arbeitstemperatur und Wärmebelastung auf die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer
und Kondensorende des Verbindungsrohrs einerseits und die effektive thermische
Leitfähigkeit andererseits wurde untersucht.
Es wurde ein Weg gefunden, die Temperaturschwankungen der Kühlmaschinen von 0,4
K auf ca. 0,14 K zu reduzieren, was insbesondere bei Verwendung von Flüssigdeuterium als
Targetmaterial von großer Bedeutung ist. Dazu wurden Thermalwiderstände zwischen
-VII-