VIIIth International Workshop NDT

Der internationale Workshop 2015  ´Non-destructive testing` (NDT) in Prag erlaubt Experten  die neuesten Entwicklungen aus den Bereichen der zerstörungsfreie Werkstoffprüfung zu präsentieren. Während des Workshops wird der Inventor des UST-Verfahrens Robert Brockmann dem Fachpublikum im Rahmen seines Vortrages ´Validation of sensitivity of the UST-Method with a test leak` die Ergebnisse der Validierung des UST-Verfahrens präsentieren.
  
   

Innovation Village (SEMICON Europa 2015)

Im Rahmen des INNOVATION VILLAGE der SEMICON - der führenden Fachmesse für die Halbleiterindustrie in Europa - wird der Innovator des UST-Verfahrens Robert Brockmann mit weiteren Innovatoren Technologieentwicklungen aus den Bereichen der Mikro- und Nanotechnologie, Materialwissenschaften, Messtechnik und Energietechnik präsentieren. Ziel des INNOVATION VILLAGE ist insbesondere die Präsentation von wirtschaftlich attraktive Technologien.

 

Inbetriebnahme des Fusionsexperimentes Wendelstein 7-X

Querschitt Wendelstein Kryostat

Blick in das Kryo- und dem Plasmagedäß des Wendelstein 7-X

Nach Jahren der Rechnung, Planung, Bauteilfertigung und Montage tritt das Stellaratorexperiment Wendelstein 7-X in eine neue Phase: Noch in diesem Jahr soll im Plasmagefäß des Wendelstein 7-X das erste Plasma erzeugt werden.

Bereits während der Inbetriebnahme wurden sämtliche Komponenten des Wendelstein 7-X auf die absolute Gasdicht geprüft. Wäre diese Prüfung nicht im Vorfeld der Montage erfolgt, so wäre eine nachträgliche Dichtheitsprüfung, aufgrund der Raumsituation im Kryostaten, nicht mehr möglich gewesen. Zudem erfolgten weitere Dichtheitsprüfungen nach dem Anpumpen des Kryostatens. Während dieser Prüfung wurden mehrere Leckagen entdeckt und repariert. Nach etwa drei Monaten der Lecksuche könnte ein Enddruck von 2x10 mbar im Kryostaten erreicht werden, so dass der magnetische Käfig mit seinen 70 supraleitenden Spulen auf seine Betriebstemperatur von 4 Kelvin herabgekühlt werden konnte.

Link: Vacuum leak search on the Wendelstein 7-X cryostat vessel

 

UST-Schnüffelsonde

Bei einer klassischen Schnüffelsonde begrenzt der natürliche Helium-Untergrund in der Umgebung von 5,2 ppm die Empfindlichkeit der Schnüffelsonde. Somit begrenzt die klassische Schnüffelsonde beim UST-Verfahren die Nachweisgrenze des UST-Verfahrens bei 5,2x10‾⁶ mbar·l/sec.

Im Rahmen der Fortenwicklung des UST-Verfahrens erfolgt die Entwicklung einer Schnüffelsonde, die keinerlei Querempfindlichkeit zur Atmosphäre aufweist, sodass die Leckagerate eines Prüflings mit bis zu 5x10¹¹ mbar·l/sec nachgewiesen werden kann.

Link: DE102013021313A1 Schnüffelsonde mit einer Fremdgasbarriere

 

Zertifizierung des UST-Testlecks durch das Labor für Vakuumtechnik der THM Gießen

Eine Herausforderung bei der Entwicklung des UST-Verfahrens war die Bereitstellung eines Testlecks für das UST-Verfahren. Aufgrund der Tatsache, dass mit klassischen Testlecks die Bestimmung Systemempfindlichkeit nur bedingt erfolgen kann, erfolgt die Entwicklung eines Testlecks für das UST-Verfahren. Bei dem UST-Testleck handelt es sich um eine neue Generation von Testlecks. Im Gegensatz zu den klassischen Testlecks gewährleistet das UST-Teslecks die Empfindlichkeit des UST-Verfahrens bis zu 1x10mbar·l/sec nachzuweisen. Vorteil des entwickelten Testlecks ist, dass keine Gefahr einer Dekalibrierung, wie bei einem Vakuumtestleck, besteht.

Im Rahmen der Fortentwicklung des UST-Verfahrens erfolgte durch das Labor für Vakuumtechnik in Gießen die Zertifizierung von insgesamt vier UST-Testlecks im Bereich von 7x10, 1,5x10⁸, 5x10 und 1x10 mbar·l/sec.

Testleck Verlauf

Nachweis der Messempfindlichkeit mit einem UST-Testleck

Link: DE102013012795A1 Testgasinjektionsvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Empfindlichkeit bei einer Dichtheitsprüfung

 

Verheilung von Aluminium

Eine Leckage bei einer supraleitenden Spule vom Wendelstein 7-X entstand nachweislich durch die Abkühlung der Spule auf 4 Kelvin. Zurückzuführen war die Leckage darauf, dass bei der Abkühlung der Spule durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aluminiummantels vom Supraleiter und der Hochspannungsisolierung die Passivschicht des Supraleiters beidseitig aufriss. Durch den hermetischen Einschluss des Supraleiters durch die Hochspannungsisolierung aus glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) verheilte die Leckage erst nach der Entfernung der Hochspannungsisolierung.

Aufbau der Alu-Passivschicht

Reines Aluminium bildet an der Luft eine fest haftende nahezu gasdichte Passivschicht. Die Passivschicht besteht aus einer Sperrschicht (Oxidschicht) und einer Deckschicht (Böhmitschicht). Die Dicke der Oxidschicht liegt bei 1 bis 2 nm und ist nahezu porenfrei ausgebildet. Bei der Böhmitschicht, deren Dicke bei 5 bis 10 nm liegt, handelt es sich um eine wasserhaltige poröse Deckschicht, die aus AlOOH (Böhmit) besteht.

Zur Bildung eines Kaltlecks müssten zwei Dinge geschehen. Zum einen eine zu starke mechanische Streckung des Supraleiters, so dass die Passivschicht des Supraleiters beidseitig aufbricht und zum anderen das Fehlen von Sauerstoff und Feuchtigkeit.

Nach der Ermittlung des Schadensbildes durch das UST-Verfahren würde im Bereich der Leckage die Hochspannungsisolierung entfernt, wobei durch den Kontakt des Supraleiters mit Luft die Leckage verheilte. Zur Validierung der Verheilungstheorie wurde der Supraleiter bei einer ebenfalls als undicht erkannten supraleitenden Spule mit Luft beaufschlagt. Zum Nachweis der Dichtheit wurde die Spule erneut am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in einem Vakuumtank eingebracht und die Leckagerate bestimmt. Durch den erneuten Lecktest konnte die Dichtheit der Spule zuverlässig nachgewiesen werden.

Link: Verlust der Heliumdichtheit

 

Membran kann Helium zu 100% blockieren

Untersuchungen von mit Kohlenstoff beschichteten Folien zeigten, dass fast kein Gas durch die beschichtete Membran über einen Zeitraum von einigen Tagen diffundierte konnte. Berechnungen ergaben sogar eine Helium-Permeationsrate von unter 10-12 g/cm²·s·bar. Dieses bedeutet, dass weniger Gas durch die beschichtete Folie diffundiert, als durch ein 1 mm dickes Glas.

Link: New membrane can block helium, yet allow water to flow freely

 

Bestimmung der Barriereeigenschaften von funktionellen Schichten mit dem UST-Verfahren

Im Rahmen eines Kooperationsprojektes mit der Neoplas GmbH, einer Ausgründung vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie (INP Greifswald e.V.), erfolgte die Bestimmung der Barriereeigenschaften von beschichteten Kunststoffen. Zum Nachweis der Barriereigenschaften wurden Prüflinge in eine mit UST-Luft beaufschlagte Prüfkammer eingebracht und der Prüfling mit einem Helium beaufschlagt. Die Messungen zeigten, dass die Gasdichtheit von beschichten Kunststoffen gegenüber den klassischen Testgasverfahren wesentlich schneller bestimmbar ist. Ein besonderer Vorteil gegenüber dem Vakuum-Testgasverfahren ist, dass die Sauerstoff- und Wasserstoff-Funktionalität der Barrieschicht bei der Verwendung von UST-Luft während der Bestimmung der Permeation gewährleistet bleibt.

Exemplarische Messung der Gasdichtheit

Testung der Barriereeigenschaften von Kunststoffen

Links:

Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung: Schneller zum Ergebnis

Novartis Pharma AG: Helium leak testing of packges for oral drug products

 

Erfolgreiche Qualifizierung von Potenzialtrennern für ITER

Die Trennung der elektrischen Potenziale von den supraleitenden Spulen beim Fusionsprojekt ITER erfolgt mit den gleichen Potenzialtrennern wie beim Stellaratorexperiment W7-X. Die Effizienz der Potenzialtrenner von der Firma Babcock Noell konnte durch das Karlsruher Institut (KIT) erneut mit qualifizierten Hochspannungs- und Werkstoffprüfungen nachgewiesen werden. Die Prototypen überstanden -196 °C, 70 kV und 60.000 Zyklen unbeschädigt. Zudem könnte die Gasdichtheit der aus GFK bestehenden Potenzialtrennern erneut bei 4,2 Kelvin nachgewiesen werden.

Link: Axial High Voltage Divider “Powerful discharges safely buffered”

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Nachweis von Nano-Leckagen mit dem UST-Verfahren

Nano-Leckagen oder Grenzschicht-Leckagen treten primär dort auf, wo die polykristalline Struktur eines metallischen Werkstoff verletzt ist. Diese Verletzungen können Folge von Korrosion oder den Einschluss von Verunreinigungen innerhalb des Werkstoffes sein. Eines der Kennzeichen dieser Leckagen ist deren Charakteristik. Die Charakteristik dieser Leckagen liegt zwischen der quadratischen Druckabhängigkeit einer laminaren Leck und der linearen Druckabhängigkeit bei der Permeation (Molekulare Leckage). Neben der nicht quadratischen Druckabhängigkeit unterscheiden sich zudem Nano-Leckagen oder Grenzschicht-Leckagen durch das stark verzögerte Anstiegsverhalten bei einer Beaufschlagung des Prüflings mit Helium. In Gegensatz zum Vakuumtestgas-Verfahren erlaubt das UST-Verfahren diese Art von Leckagen auch zu orten.

 

Beziehung zwischen der Leckagerate vom UST-Verfahren und dem Vakuum-Testgasverfahren

Zur Bestimmung der Beziehung zwischen der Leckagerate vom UST-Verfahren und dem Vakuum-Testgasverfahren erfolgte die Bestimmung der Leckagerate von Kunststoffscheiben mit verschiedenen Durchmesseren. Des Weiteren wurden die Kunststoffscheiben mit einem Heliumdruck von 10 bar beaufschlagt. Die Messungen zeigten, dass im Messbereich von 10‾⁶ bis 10mbar·l/sec die Abhängigkeit über den gesamten Messbereich mit der Beziehung 1:1,4 beschrieben werden kann. Der Grund, warum die Leckagerate um das 1,4-fache größer ist, wird sein, dass die Kunststoffscheibe beim Vakuum-Testgasverfahren mit einem um einen Bar höher Differenzdruck beaufschlagt wird. 

Beziehung UST und Vakuum

Beziehung der Leckagerate zwischen dem UST-Verfahren und dem Vakuum-Testgasverfahren

 

Letzter Blick in den Kryostaten des Wendelsteins

Inzwischen sind alle fünf Segmente vom Stellaratorexperiment Wendelstein 7-X fertiggestellt und stehen an ihrer endgültigen Stelle auf dem Maschinenfundament. Zur endgültigen Komplettierung des magnetischen Käfigs bedarf es nur noch einer Oberschale von Außengefäß, so dass das Kryosystem mit seinen supraleitenden Spulen nach dem Verschließen nicht mehr zu sehen sein wird. 

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Letzter Blick in den magnetischen Käfig des Stellartor-Experimentes W7-X

Link: Pressemittelung des IPP: Der Deckel wird geschlossen – Kern von Wendelstein 7-X ist komplett

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Vergleich der Empfindlichkeit zwischen dem UST-Verfahren und dem Vakuumtestgasverfahren

Eine Herausforderung bei der Entwicklung des UST-Verfahrens war der Vergleich der Messempfindlichkeit zwischen dem UST-Verfahren und Vakuum-Testgasverfahren. Der Vergleich erfolgte mittels zwei identischen Kunststoffscheiben. Zum Nachweis der Messempfindlichkeit wurden die beiden Kunststoffscheiben mit einem Heliumdruck von 10 bar beaufschlagt und der Leckageverlauf mit UST-Verfahren sowie mit dem Vakuum-Testgasverfahren bestimmt. Es konnte gezeigt, dass beide Leckageverläufe weitgehend identisch sind.

Bei der ersten Bestimmung der Leckagerate mit dem UST-Verfahren wurde die Messung nach einer Messzeit von 7,5 Stunden bei einer Leckagerate von 9,3x10‾⁷ mbar·l/sec beendet. Im Anschluss erfolgte die Bestimmung des Leckageverlaufes mit dem Vakuum-Testgasverfahrens. Zum Beginn dieser Messung betrug die Leckagerate 1,3x10‾⁶ mbar·l/sec. Grund des höheren Leckagerate beim Vakuum-Testgasverfahren wird sein, dass im Gegensatz zum UST-Verfahren die Kunststoffscheibe beim Vakuum-Testgasverfahren mit einen um einen Bar höheren Helium-Differenzdruck beaufschlagt ist.

Zum Vergleich des kompletten Leckageverlaufes wurde in einem weiteren Schritt der komplette Leckageverlauf eine weitere Kunststoffscheibe mit dem Vakuum-Testgasverfahren bestimmt. Diese Messung zeigte, dass auch bei dieser Messung die Leckagerate nach 7,5 Stunden bei  1x10‾⁶ mbar·l/sec lag. Zudem zeigte der Vergleich der gemessen Leckageverläufe, dass diese annährend deckungsgleich sind.

Vergleich Empfindlichkeit

Darstellung der Leckageverläufe beim UST-Verfahren und beim Vakuumtestgasverfahren

Kaltlecksuche mit dem UST-Verfahren

Zum Nachweis der Funktionstauglichkeit des UST-Verfahrens bei LN2-Tempertur würde bei einem Prüfling mit einer nachgewiesen Kaltleckage die Gasdichtheit im Warmen sowie in Kalten bestimmt. Nach der Bestimmung der Warmleckrate bei Raumtemperatur erfolgte im zweiten Schritt die Bestimmung der Kaltleckrate. Hierfür würde die Prüfkammer mit dem Prüfling mit flüssigen Stickstoff abgekühlt. Im Gegensatz zum Warmlecktest, bei dem selbst nach der Beaufschlagung des Prüflings mit 50 bar die Leckagerate in Bereich von 8x10‾⁹ mbar·l/sec verharte, stieg die Leckagerate im Kalten bei einer Prüftemperatur von -135°C sofort von 8x10‾⁹ auf 7x10‾⁸ mbar·l/sec. Nach dem die Beaufschlagung des Prüflings mit 50 bar beendet wurde, viel die Leckagerate unmittelbar wieder auf 8x10‾⁹ mbar·l/sec.

 

 Mit dem UST-Verfahren nachgewiesene p-q-Beziehung im Warmen und Kalten

 

Ortung einer Leckage mit dem UST-Verfahren in einer Testkammer

Für die Lokalisierung einer Leckage in einem großvolumigen Bauteil mit einen Balg wurde das Bauteil in eine Testkammer mit einem Volumen 360 Liter eingebracht. Nach der Spülung der Testkammer auf eine Leckrate von 1x10¹¹ mbar·l/sec mit einem von Helium befreiten Gas wurde das Bauteil mit Helium beaufschlagt und über Öffnungen in der Testkammer abgeschnüffelt. Bei der Lecksuche konnte eine Leckage im Balg im Bereich einer UHV-Schweißnaht geortet werden. Die Leckagerate stieg zudem bei einer mechanischen Streckung des Balges signifikant von 1x10‾⁷ auf 7x10‾⁷ mbar·l/sec an. Nach der Reparatur wurde das Bauteil erneut in die Testkammer eingebracht und erneut mit Helium beaufschlagt. Die Prüfung ergab, dass selbst bei einer Beaufschlagung des Balges mit 33 bar die Leckagerate innerhalb der Testkammer bei 1x10¹¹ mbar·l/sec verharrte, so auch im reparierten Bereich des Balges.

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Testkammer  Testkammer mit Testleck

Testkammer

 

Kooperation mit den Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.

Das Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie (INP Greifswald e.V.) ist europaweit die größte außeruniversitäre Forschungseinrichtung zu Niedertemperatur-Plasmen, deren Grundlagen und technischen Anwendungen. Das INP forscht seit Jahren auf dem Gebiet der plasmagestützten Oberflächenbehandlung. Oberflächen können durch die Behandlung mit dem ionisierten Gas modifiziert, z.B. beschichtet, gereinigt, geätzt oder aktiviert werden. Ein gefragtes Anwendungsgebiet sind Plasmaprozesse zur Funktionalisierung von Oberflächen. Oftmals besteht der Wunsch, durch die Beschichtung von Kunststoffen, die Gasdichtheit zu verbessern.

Durch den generellen Nachweis, dass mit dem UST-Verfahren auch die Permeation von Kunststoffen bestimmt werden kann, wurde durch die Projektleiter Werner Arndt und Rene Portwich vom VentorMentor-Programm des Landes Mecklenburg-Vorpommern eine Kooperation mit der Neoplas GmbH, einer Ausgründung des INP, angeregt. Ziel dieser Kooperation ist der Einsatz des UST-Verfahrens in Bereich des Nachweises der Barriereeigenschaften von beschichten Kunststoffen.

Links:

Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung: Schneller zum Ergebnis

Novartis Pharma AG: Helium leak testing of packges for oral drug products

Gerd Müller-Syring: Permeation von Gasen durch Kunststoffrohrleitungen

Ad-hoc-Prüfung einer beschädigten LHe-Kühlleitung mit dem UST-Verfahren

Im Rahmen der Qualitätssicherung während der Montage des Wendelstein 7-X wurde festgestellt, dass eine LHe-Kühlleitung einer nicht-planaren supraleitenden Spule durch die Montage beschädigt wurde. Aus diesem Grund erfolgte mit dem UST-Verfahren der Nachweis der Helium-Dichtheit der beschädigten LHe-Kühlleitung. Zum Nachweis der Helium-Dichtheit wurde der Bereich mit der Beschädigung eingehüllt und mit dem UST-Verfahren die Leckagerate bestimmt. Die Prüfung zeigte, dass die LHe-Leitung mit einer integralen Leckrate von kleiner  5x10¹¹ mbar·l/sec absolut heliumdicht war.

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LHe Khleitung beschdigt 1 Ad-hoc Testung

Testung einer beschädigten LHe-Leitung mit dem UST-Verfahren

 

Spulentests für W7-X erfolgreich beendet

Mit der erfolgreich abgeschlossenen Funktionsprüfung der letzten supraleitenden Spulen wurden die wissenschaftlich-technologische Schlüsselkomponente für das Stellaratorexperiment W7-X im Jahre 2009 fertig gestellt.

Zur Prüfung der Betriebseigenschaften wurden alle supraleitenden Spulen im Anschluss an die Fertigung zu einer Testanlage der französischen CEA nach Saclay bei Paris transportiert. Ziel war es, die Funktionstüchtigkeit und Lebensdauer der supraleitenden Spulen sicherzustellen und später beim Betrieb aufwändige Reparaturen zu vermeiden. In der eigens für diese Prüfung entwickelten Kryo-Vakuum-Testanlage wurden die auf Tieftemperatur abgekühlten Spulen einer Vielzahl von elektrischen und mechanischen Tests unterworfen. Insbesondere wurde untersucht, wie sich die Spulen beim so genannten Quench verhalten – dem härtesten Test, den ein Supraleiter bestehen muss: Dabei verliert die Spule schlagartig ihre Supraleitungseigenschaften und wird zu einem normalen Leiter. Untersucht wurde auch, ob die supraleitenden Spulen den hohen Belastungen unbeschadet standhalten.

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Segment Wendelstein 7 X

Aufgefäden einer Spule auf das Plasmagefäß

Links:

Pressemitteilungen IPP: Spulentests für Wendelstein 7-X erfolgreich beendet

 

Wirtschaftlichkeit des UST-Verfahrens

Die Dichtheitsprüfung mit dem UST-Verfahren erlaubt eine vereinfachte Prüfung von schlecht oder von bis Dato nicht prüfbaren Prüflingen. Im Vergleich zu dem Vakuum-Testgasverfahren ist das UST-Verfahren bei der Ad-Hoc Prüfung kostengünstiger einsetzbar. Der Kostenvorteil des UST-Verfahrens gegenüber dem Vakuum-Testgasverfahren zeigt sich besonders deutlich bei der Ad-Hoc Prüfung einer supraleitenden Spule am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald. Bei der Prüfung der Gasdichtheit der supraleitenden Spule hatte das UST-Verfahren gegenüber den Vakuum- sowie dem Überdruck-Testgasverfahren einen nachgewiesenen Kostenvorteil von 70%.

 

Ortung der Leckage von der spuraleitenden Spule ABB 16

Die bei der Spule ABB 16 mit dem UST-Verfahren nachgewiesene Leckage entstand nachweislich erst durch die erstmalige Abkühlung auf die Betriebstemperatur von 4 Kelvin. Zurückzuführen war dieses darauf, dass bei der Abkühlung der Spule durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aluminiummantels und der Hochspannungsisolierung vom Stromleiter die Passivschicht des Aluminiummantels aufriss und undicht würde. Durch den hermetischen Einschluss der Passivschicht durch die Hochspannungsisolierung aus glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) konnte die Leckage erst nach der Entfernung der Isolierung aus GFK geortet werden.

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Ortung der Leckage mit dem UST-Verfahren bei der Spule ABB 16

Links:

Ultra-Schnüffel-Testgasverfahren auf Grundlage des Partial-Vakuum-Effekts

Verlust der Heliumdichtheit: Verletzung der Passivschicht beim Werkstoff Aluminium

IOP-Science: Lessons learned from the manufacture of the W7-X planar coils

 

Theoretischer Durchmesser von Leckagen

Im Vorfeld der Ortung der Leckage von der supraleitenden Spule ABB 16 des Fusionsexperimentes Wendelstein 7-X erfolgte die Berechnung des theoretischen Durchnesser der Leckage. Die Berechnung zeigte, dass der theoretische Durchmesser der Leckage der Größe von 1x10‾⁶ mbar·l/sec einen theortischen Druckhmesser von 100 nm aufweist.

Theoretischer Durchmesser von Leckagen

Theoretischer durchmesser von Leckagen

 

Dichtheitsprüfung einer supraleitenden Spule mit dem UST-Verfahren

Der zentrale Bestandteil des Stellaratorexperimentes Wendelstein 7-X sind 50 nichtplanare und 20 planare supraleitende Spulen. Die insgesamt 70 Spulen erlauben den Einschluss sowie die Modulierung des Plasmas in einem magnetischen Käfig. Alle diese Spulen bestehen aus einen isolierten und imprägnierten Wickelpaket mit einem eingebeteten Stromleiter, wobei das Wickelpaket mit den Stromleiter in einem Gehäuse aus Edelstahl eingebettet ist. Zum Nachweis der supraleitenden Eigenschaft wurden alle Spulen in einem wärmeisolierten Kryo-Vakuumgefäß in Saclay bei Paris auf Betriebstemperatur von 4 Kelvin abgekühlt und mit dem Nennstrom belastet. Zum Nachweis der Gasdichtheit der supraleitenden Spulen wurde während der Abkühlung sowie bei der anschließenden Erwärmung der supraleitenden Spulen auf Raumtemperatur die Gasdichtheit bestimmt.

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Test der supraleitenden Spulen in Frankreich

Nach der Erwärmung der supraleitenden Spule AAB16 auf Raumtemperatur konnte eine druckabhängige Leckagerate von 1x10‾⁶ mbar·l/sec nachgewiesen werden. Wobei die Charakteristik der Leckrate weder quadratisch, wie man es bei einem turbulenten oder einer laminaren Leckage kennt, noch linear, wie man sie bei einer molekularen Leckage kennt, war. Die Charakteristik der Leckrate lag eindeutig zwischen einer laminanaren und molekularen Leckage.

Zur Ortung der Leckage wurde die Gasdichtheit der Spule erneut in einem Vakuumtank am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Greifswald bestimmt. Durch den erneuten Lecktest mit dem Vakuumtestgas-Verfahren konnte erneut eine druckabhängige Leckrate nachgewiesen werden, sowie der Bereich der Leckage eingegrenzt werden.

Die Ortung der Leckage erfolgte mit dem UST-Verfahren sowie mit lokalen Vakuumkammern. Dabei erlaubte das UST-Verfahren gegenüber dem lokalen Vakuumtestgas-Verfahren durch seine Flexibilität die Bestimmung der Gasdichtheit, selbst der komplizierten Spulenstrukturen, von bis zu 1x10‾⁹ mbar·l/sec nachzuweisen. Zudem erlaubte das UST-Verfahren zum ersten Mal die Erstellung eines unverzehrten Erscheinungsbildes der Schadensquelle. Aufgrund des UST-Verfahrens konnte die Leckage in einem Interlayerjoint der supraleitenden Spule innerhalb von 3 Wochen geortet werden.

Link: Max-Planck Institut für Plasmaphysik: Review of the acceptance tests of the W7-X superconducting magnets

 

Nachweis eines Klapp- oder Ventil-Lecks

Im Rahmen der Qualifizierung des Schweißverfahrens für ein supraleitendes Bauteil aus Aluminium  (Interlayerjoint) wurde im Rahmen der Dichtheitsprüfung eine Leckage mit dem Vakuumtestgas-Verfahren nachgewiesen. Nach dem die Leckage nicht mit den klassischen Überdrucktestgas-Verfahren nicht geortet werden konnte, erfolgte die Ortung der Leckage mit dem UST-Verfahren. Die Leckage konnte nach ungefähr 20 Minuten punktgenau im Bereich der Bodenplatte-Adapter-Schweißnaht lokalisiert werden. Dabei wurde festgestellt, dass es sich um ein Ventil-Leck oder Klapp-Leck handelt. Erst bei einer Beaufschlagung des Prüfling mit mindestens 24 bar stellte sich ein Testgasstrom von 2x10‾⁷ mbar·l/sec ein.

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Ortung eines Ventil-Leck mit dem UST-Verfahren

 Testung Lagenverbinder

Nachgewiesene p-q-Beziehung der Ventil-Leckage

 

Ad-hoc Prüfung einer LHe-Kühlleitung mit dem UST-Verfahren

Nach der Neuverlegung einer LHe-Kühlleitung von einer nicht-planaren supraleitenden Spule des Fusionsexperimentes W7-X wurde die neuverlegte LHe-Kühlleitung in eine Hülle eingebracht und die Hülle mit einem von Helium befreiten Gas beaufschlagt. Nach dem Erreichen einer Leckagerate von 5x10x¹ mbar·l/sec innerhalb einiger Minuten wurde die Spülung beendet und hiernach die LHe-Kühlleitung mit Helium in Schritten bis zu 33 bar beaufschlagt. Selbst bei der Beaufschlagung der LHe-Kühlleitung mit 33 bar verharrte die Leckrate im Bereich von 5x10x¹ mbar·l/sec.

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LHE-Khleitung

Testung einer neuverlegten LHe-Leitung mit dem UST-Verfahren

 

Zur Verifizierung des Prüfergebnisses wurde in einem weiteren Schritt die komplette supraleitende Spule in einem Vakuumtank eingebracht, um die integrale absolute Gasdichtheit der Spule mit dem Vakuum-Testgasverfahren B2.1 der DIN EN 1779 zu bestimmen. Die Prüfung bestätigte gleichfalls die absolute Helium-Dichtheit der verlegten LHe-Kühlleitung.

 

Erhöhte Ausgasung von Potenzialtrennern aus GFK

Bei der Prüfung der Gasdichtheit des Wickelpaketes einer supraleitenden Spule vom Stellaratorexperiment Wendelstein W7-X konnte mit dem Vakuumtestgas-Verfahren eine deutlich zu hohe Leckrate festgestellt werden, die auch durch längeres Abpumpen der supraleitenden Spule in einem Vakuumtank nicht verringern ließ. Zudem zeigte der Lecktest im Vakuumtank keine charakteristische Druckabhängigkeit der Leckrate. Es wurden verschiedene Tests von der Vakuumgruppe um dem Physiker Dr. Heinz Grote durchgeführt, die klären sollten, ob in dem Stromleiter des getesteten Wickelpaketes eine Leckage vorhanden ist oder ob die Ausgasung einer Komponente zur Ausbildung einer virtuellen Lecks führte.

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Wickelpaket einer W7-X Spule

In ersten Schritt wurden Platten aus glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) mit Leitlack beschichtet, der zuvor in einer reinen Heliumatmosphäre gelagert wurde. Zur Bestimmung der Heliumausgasung wurde die Ausgasrate der beschichteten Platten mit dem Vakuumtestgas-Verfahren bestimmt. Die Messergebnisse zeigte keine Signifikanz, gegenüber den neutralen Proben.

Es folgten hierauf die systematische Untersuchung des Wickelpaketes, bei der auf eine eventuelle Leckage im Bereich des geschweißten Supraleiters ausgeschlossen werden sollte. Zu diesem Zeck wurde im Bereich der Sensorkabel von Wickelpaket mit einer hermetischen lokalen Kammer umschlossen, um diese separat im Vakuumtank abpumpen zu können. Dieser Test zeigte keine Signifikanz für diesen Bereich.

Nach einer längeren Unterbrechung der Untersuchung wurde der Stromleiter des Wickelpaketes mit Helium über mehrere Tage beaufschlagt und die Leckrate erneut im Vakuumtank bestimmt. Die Messungen zeigten keinen signifikanten Anstieg der Leckrate aufgrund der Heliumbeaufschlagung.

Da bei keiner der durchgeführten Messung ein Hinweis auf eine Leckage gefunden wurde, wurde das Wickelpaket der supraleitenden Spule im Vakuumtank auf eine Temperatur von 60°C erwärmt. Dabei wurde der Stromleiter mit 30 bar Helium beaufschlagt und nach vier Tagen der Stromleiter evakuiert. Bei dieser Untersuchung blieb die Leckrate des Wickelpaketes nahezu konstant.

Die folgenden Untersuchungen dienten dem Zweck, die Ursache für die erhöhte Leckrate der supraleitenden Spule zu ermitteln. Dazu wurde das Wickelpaket segmentell eingetütet und mit dem klassischen Überdrucktestgas-Verfahren die Leckrate nach Ablauf einer Akkumulationszeit von 24 Stunden bestimmt. In keiner der insgesamt 18 Tüten konnte eine erhöhte Leckrate gegenüber der atmosphärischen Leckrate von 5,2x10‾⁶ mbar·l/sec festgestellt werden.

Des Weiteren wurden die Bestandteile des Spulenanschlussbereiches, wie z.B. die Interlayerjoints, die Materialverbinder, die Verrohrung und die Potenzialtrenner lokal eingetütet. Dabei zeigten 3 der insgesamt 5 Potenzialtrenner eine erhöhte Helium-Ausgasung. Es wurden aus diesem Grund sämtliche Potenzialtrenner ersetzt. Der Lecktest nach dem Austausch der Potenzialtrenner zeigte ein um eine Großordnung verbesserte Leckrate. Die Ermittlung der Ursache zog sich mit den klassischen Testgas-Verfahren über 18 Monate hin.

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Kryotechnisch geeigneter Potenzialtrenner

Die anschließende Untersuchung der Potenzialtrenner am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik zeigte, dass sich die Charakteristik der Potenzialtrenner von denen des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik unterschied. Die Ursache der erhöhten Ausgasung war die Verwendung eines anderen Harzes durch den Hersteller der Potenzialtrenner.

Links:

BNG: Magnettechnik; Potenzialtrenner

The Results of the KSTAR Superconducting Coil Test

Status of the KSTAR superconducting magnet system development

Status IPR; Helium Feedthroughs cum Isolators

Eugen Schulte

http://wiki.selfhtml.org/wiki/Referenz:HTML/Zeichenreferenz