STUDIE DER BABCOCK NOELL NUCLEAR GMBH ZUR ... - GSI

STUDIE 

DER BABCOCK NOELL NUCLEAR GMBH 

ZUR ERMITTLUNG DER KOSTEN 

FÜR DIE INDUSTRIELLE SERIENPRODUKTION 

DER VARIANTEN 4KDP UND 80KDP DER NUKLOTRON DIPOLE 

DES NEUEN BESCHLEUNIGERPROJEKTS DER GSI

INHALTSVERZEICHNIS: 

A. EINLEITUNG 4 

1. SCHNELL GEPULSTE SUPRALEITENDE DIPOLE 4 

2. GRUNDLEGENDE ANNAHMEN FÜR DIE KOSTENSTUDIE 6 

B. STANDARD NUKLOTRON DIPOL 4KDP 8 

1. LEITERSPEZIFIKATION 8 

2. WICKELN UND VAKUUMIMPRÄGNIEREN DER SPULE 9 

3. SPULENTESTS 13 

4. STÜTZSTRUKTUR AUS ALUMINIUMOXID 14 

5. ZUSAMMENBAU VON EISENJOCH UND MAGNET 16 

6. MAGNETFELD MESSUNGEN 17 

7. QUENCH SICHERUNG 18 

8. KRYOSTAT 19 

9. OPTION: SPEZIELL GESTALTETE JOCHENDEN 22 

C. STANDARD NUKLOTRON DIPOL 80KDP 22 

1. KONSTRUKTIVER AUFWAND 22 

2. MATERIAL- UND FERTIGUNGSAUFWAND 24 

3. KRYOSTAT 25 

D. ZUSAMMENFASSUNG 26 

O:\RN\RNM\WalterW\Vertrieb\GSI Dipole\Auftrag S.919002\Studie\Studie Final.doc\WR Kunde: GSI Darmstadt 

Kostenstudie für Nuklotron Dipole 

BNN-Auftrag- Nr. S.919002 

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24. Juli 2003

E. ZUSAMMENSTELLUNG DER KOSTEN 28 

1. ANMERKUNGEN ZU AUFGEFÜHRTEN POSITIONEN FÜR 4KDP UND 80 KDP 28 

2. ZUSAMMENFASSUNG DER KOSTEN DES NUKLOTRON DIPOLS 4KDP 29 

3. ZUSAMMENFASSUNG DER KOSTEN DES NUKLOTRON DIPOLS 80KDP 30 

F. ANHANG 31 

1. JOCHBLECHE EBG M 600-100A 31 

2. QUELLEN 34 

Bearbeitung der Studie: 

Dr. W. Walter Telefon ++49-931-903-6054 

Fax ++49-931-903-6010 

E-mail Wolfgang_Walter@bb-power.de 





24. Juli 2003

A. Einleitung 

1. Schnell gepulste supraleitende Nuklotron Dipole 4KDP und 80KDP 

Für den SIS 100 Speicherring des neuen Beschleunigerprojekts der GSI werden 120 

Nuklotron Dipole benötigt. Es sind eisendominierte supraleitende Magneten im „Window 

Frame“ Design. Als Leiter wird ein Helium durchflossenes „Hollow-Tube“ NbTi Kabel 

eingesetzt. Die Magnete werden mit einer „Ramp Rate“ von 4 T/s schnell gepulst 

betrieben. Deswegen wird bei Ihrem Design besonderer Wert auf die Minimierung von 

Verlusten beim Betrieb gelegt. 

In dieser Studie wird die industrielle Serienproduktion von 120 Dipolen, inklusive 

Kryostaten und Heliumleitung, aber ohne Strahlrohr, betrachtet. Dabei werden zwei 

Grundvarianten für die Magnete berücksichtigt: 

i. Standard Nuklotron 4KDP 

Bei diesem Magneten ist das gesamte Joch auf eine Temperatur von 4,5 K gekühlt. 

Das Joch ist aus 1 mm starken Lamellen und verklebten Endblöcken (ca. 10 cm stark) 

aufgebaut. Die Endblöcke sind angefast und verschweißt. Für die 4KDP Magneten 

werden zwei Alternativen diskutiert: 

(a) Ein über die Gesamtlänge verklebtes Joch. 

(b) Im Polbereich zur Minderung der AC-Verluste speziell gestaltete Endblöcke. 

ii. Standard Nuklotron 80KDP 

Hier beträgt die Jochtemperatur 80 K und die Spule wird bei 4,5 K betrieben. Das Joch 

besteht, wie bei der 4KDP Variante, aus 1mm starken Lamellen, verfügt aber nicht 

über speziell gestaltete Endblöcke. Die Spulenbefestigung erfolgt mittels 

vorgespannter Bänder. Hierzu sind ein Keramikgegenlager und zusätzliche 

Abstandshalterungen zwischen Spule und Joch notwendig. 





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Nuklotron Dipol 4KDP 80KDP 

Aperturgröße (mm) 112x56 108x52 

maximale Magnetische Induktion (T) 2 2 

Ramp Rate (T/s) 4 4 

Länge Joch (mm) 2600 2600 

Größe Joch (mm) 292x205.5 292x203.4 

Spaltbreite des Jochs (mm) 146x56.4 153x59.6 

Temperatur Joch (K) 4.5 80 

Lamellendicke (mm) 1 1 

maximaler Stanzgrad in % der Lamellendicke 5 % 5 % 

Füllfaktor des Jochs 0,98 0,98 

Masse bei 80K (kg) -- 950 

Masse bei 4.5K (kg) 950 40 

Toleranz der Apertur (mm) + 0,02 + 0,02 

Toleranz der Kontaktflächen der Halbjoche (mm) + 0,02 + 0,02 

Toleranz der Länge der Halbjoche ca. 1 Blech ca. 1 Blech 

Durchmesser Kryostat (m) 0.685 0.685 

Spule 

Anzahl Windungen 16 16 

Anzahl Lagen 2 2 

SC Kabellänge (m) 107 107 

Durchmesser der Filamente (µm) 4-6 4-6 

Twist Pitch (mm) 4 4 

Wiederholfrequenz (Hz) 1 1 

Maßtoleranz der Spulen (mm) 0,1 0,1 





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2. Grundlegende Annahmen für die Kostenstudie 

In dieser Kostenstudie wird ein unverbindlicher Richtpreises für die industrielle 

Serienproduktion von 120 Nuklotron Dipolen, wie oben beschrieben, ermittelt. Die 

Genauigkeit des hier genannten Gesamtpreises für 120 Magnete schätzen wir mit +10 % 

ein. Stand der Kostenangabe ist 05/2003. 

Speziell bei kostenkritischen Positionen wurde eine verlässliche Basis durch Anfragen bei 

mehreren Zulieferern und anschließende Preisvergleiche geschaffen. Um mit vertretbarem 

Aufwand ein optimale Genauigkeit der Kostenschätzung zu erreichen, wurden einzelne 

Kosten auf Grund unserer langjährigen Erfahrung im Bau von Magneten und 

Magnetsystemen ohne Anfragen bei Zulieferern abgeschätzt. Hierzu wurden Daten aus 

Angeboten und Aufträgen, z.B. für ESRF, HERA und LHC, verwendet und auf den Stand 

2003 skaliert. Zur Abschätzung der Fertigungszeiten hat sich insbesondere ein Vergleich 

mit der Abwicklung des Auftrags für die ESRF Dipole angeboten. Bei diesen Dipolen 

handelt es sich um normalleitende Magnete. Trotzdem gibt es einen großen Überlapp in 

den verwendeten Fertigungsmethoden und notwendigen Fertigungsschritten. 

Die Herstellung von insgesamt 120 Magneten ist eine industrielle Kleinserienfertigung. 

Eine derartige Serienproduktion ist immer durch Anlaufzeiten gekennzeichnet, in denen 

man sich langsam der Fertigungsgeschwindigkeit der laufenden Serie annähert. Diesen 

Effekt können wir momentan bei der Fertigung der supraleitenden Dipol-Magnete für den 

LHC am CERN beobachten (siehe unten abgebildete Lernkurve). Bei unserer 

Kostenermittlung wird das Anlaufen der Serienproduktion mit berücksichtigt. 





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Stunden 

3.000 h 

2.500 h 

2.000 h 

1.500 h 

1.000 h 

500 h 

Fertigung Cold Mass 

0 h 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 

Magnet 

Soll Ist m. Rep. Ziel V-Ist 

Abbildung: Lernkurve der Fertigung der „Cold Mass“ für die LHC Dipole bei BNN 

Als reine Fertigungszeit werden 1,5 Jahre angenommen. Im Vorfeld ist noch Zeit für 

konstruktive Vorarbeiten zu berücksichtigen. Unter Annahme der von uns für diese Studie 

ermittelten Fertigungszeiten und einer Arbeit im 2-Schicht Betrieb, ist eine Fertigung der 

Magnete ohne größere Parallelisierung von Fertigungsschritten möglich. Insbesondere 

wird nur eine Wickelmaschine und ein Backwerkzeug für das Vakuumimprägnieren 

benötigt. 

In den angegebenen Kosten sind firmeninterne Zuschläge von 25 % enthalten. Dabei 

wurde je ein 5-prozentiger Wagnis- und Gewinnzuschlag durch Babcock Noell Nuclear 

(BNN) berücksichtigt. Einen Unternehmensgewinn von 5 % sehen wir als branchenüblich 

an. Die durch die GSI vorgegebene Spezifikation der Magnete musste durch eine Reihe 

von plausiblen Annahmen für Dimensionen, Toleranzen und Materialien ergänzt werden, 





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um einen Endpreis mit der oben genannten Genauigkeit angeben zu können. Diese 

Annahmen konnten jedoch im Rahmen dieser Studie nicht detailliert auf Ihre technische 

Machbarkeit hin überprüft werden. Deswegen halten wir einen Wagniszuschlag von 5 % 

für sinnvoll. 

In den Kosten sind keinerlei Entwicklungsaufwendungen berücksichtigt. Kosten für 

Verpackung und Transport sind im Endpreis nicht enthalten. 

B. Standard Nuklotron Dipol 4KDP 

1. Leiterspezifikation 

Verwendet wird ein zwangsgekühlter Supraleiter. Um einen Hohlleiter aus einer Kupfer- 

Nickel Legierung ist der NbTi Supraleiter angebracht. Die Isolierung erfolgt durch drei 

aufeinander folgende Schichten aus Nichrome Draht, Kapton Folie und Glasfaser Band. 

Die Kühlung des Supraleiters auf 4,5 K erfolgt mittels Helium, welches durch den 

Hohlleiter fliest. Der Durchmesser des Kabels inklusive Isolierung ist 7 mm, davon hat der 

Helium Kühlkanal einen Durchmesser von 4 mm. 

Abbildung: Aufbau des supraleitenden Kabels der Nuklotron Dipole 





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Die Preisfindung des Supraleiters erfolgt in Absprache mit der GSI. Er wird als 10 % über 

dem Preis des Supraleiters der LHC Dipol Magnete angenommen. 

Das Design des Leiters muss beim Wickeln und Imprägnieren der Spule berücksichtigt 

werden. Der Aufbau mit einem außen liegenden Supraleiter, der nur durch eine 

Isolationsschicht geschützt ist erfordert eine sorgfältige Handhabung beim Wickeln. Es 

muss sichergestellt werden, dass beim Wickeln die empfindlichen Strands nicht 

beschädigt werden. Außerdem sollten bei einem Helium gekühlten Hohlleiter Helium- 

Lecktests vor dem Imprägnieren und an der fertigen Spule eingeplant werden. 

2. Wickeln und Vakuumimprägnieren der Spule 

Es handelt sich um eine gekröpfte Sattelspule mit 2 Lagen und je 4 Windungen pro Lage. 

Prinzipiell können gekröpfte Sattelspulen zunächst eben gewickelt und anschließend 

gekröpft werden. Hierzu müssen die Lagen einzeln gewickelt, gekröpft und anschließend 

verbunden werden. Für eine Kupferspule kann dies eine kostengünstige 

Fertigungsmethode sein, da die Lagenverbindungen einfach gelötet werden können. Bei 

einer supraleitenden Spule sind Leiterverbindungen aber ungleich komplizierter und 

sollten innerhalb einer Spule vermieden werden. Deswegen wird hier davon ausgegangen, 

dass die Spule aus einem zusammenhängenden Leiterstück gewickelt und bereits beim 

Wickeln gekröpft wird. Dies muss bei der Auswahl der Wickelmaschine und in den 

Fertigungszeiten berücksichtigt werden. 

Man benötigt eine mechanisch aufwendige Wickelmaschine, um die Spule aus einem 

Leiterstück zu Wickeln. Eine entsprechende Maschine wurde bei Herstellern angefragt. 

Da ein empfindlicher Supraleiter gewickelt wird, müssen die Zugkräfte genau und aktiv 

geregelt werden. Wir sind von typischen Zugkräften um 500 N ausgegangen und einer 

zulässigen Zugschwankung von 5 %. Um die Zugkräfte aufzubringen wird der Leiter über 

eine Magnetpulver-Bremse gebremst. Punktuelle hohe Kräfte auf den Leiter müssen 

vermieden werden um den Supraleiter nicht zu zerstören. Deswegen wird der Leiter von 





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einer langen Raupe gehalten, um die Kräfte gleichmäßig auf einen größeren Bereich zu 

verteilen. Der Abwickler wurde so ausgelegt, dass 5 Spulen aus einer Trommel gewickelt 

werden können. 

Eine Maschine zum Wickeln von (verkürzten) Prototypen der Nuklotron Dipole ist bei BNN 

vorhanden (siehe Abbildung) und müsste nur geringfügig modifiziert werden. Sollte die 

Serienfertigung der Magnete bei BNN im Anschluss an den LHC Dipolauftrag erfolgen, 

wären Kosteneinsparungen durch Verwendung der Portal-Wickelmaschinen der LHC 

Dipole (siehe Abbildung) möglich. Für diese müsste nur der Wickelkern und die 

Leiterführung den neuen Gegebenheiten angepasst werden. Allerdings muss eine solche 

Vorgehensweise rechtzeitig mit CERN abgestimmt werden. 

Abbildung: Wickelmaschine der BNN, die für die Fertigung (verkürzter) Prototypen 

geeignet ist. Mit der Anlage wurden supraleitende Racetrack-Spulen gewickelt. 





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Abbildung: Portal-Wickelmaschine für die Serienproduktion der LHC Dipole in Würzburg 

Es wird davon ausgegangen, dass die Lagenüberstiege im Bereich der Spulenköpfe und 

nicht im Bereich der parallelen Spulenschenkel erfolgt. Pro Spule ist ein Lagenüberstieg 

notwendig. Dieser wird mit einem Presswerkzeug vorgebogen, wobei möglichst große 

Biegeradien verwendet werden, um Schäden am Leiter zu vermeiden. 

Der Leiter selbst ist bereits durch je eine Lage aus Nichrome, Kapton und Glasfaser 

isoliert. Als weitere Isolierung ist eine Grundisolierung der gesamten Spule vorgesehen. 

Bereits beim Wickelvorgang müssen Glas-Rowings beigelegt werden, um die Zwickel 

zwischen den Kabeln bzw. zwischen Kabel und Grundisolation auszufüllen. Hierdurch 

werden beim späteren Imprägnieren lokale Harzanreicherungen und Hohlstellen 

vermieden. Bezüglich der Positionierung des Leiters sind beim Wickeln der Spulen 

Toleranzvorgaben von ca. 0,1 mm einzuhalten. Dies kann dazu führen, dass 





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kostspieligere Formstücke aus GFK, statt der in der Studie angenommenen Glas- 

Rowings, in die Zwickel zwischen den Kabeln eingesetzt werden müssen. Der Einsatz von 

GFK Formstücke bedingt dann auch einen größeren Aufwand beim Wickeln der Spule. 

Eine detaillierte Untersuchung der Fragestellung ob mit einfachen Glas-Rowings die 

geforderte Toleranz eingehalten werden kann, erscheint deswegen sinnvoll. 

Nach dem Wickeln wird eine Grundisolation durch Umwickeln der Spule mit einem 

Glasfaserband aufgebracht. Für diesen Arbeitsschritt wurden zwei Optionen 

berücksichtigt: einerseits das Umwickeln mit Glasfaserband von Hand und andererseits 

maschinelles Umwickeln der geraden parallelen Spulenschenkel kombiniert mit 

händischem Umwickeln der gekröpften Bereiche. Maschinelles Aufbringen der Isolation ist 

zwar prinzipiell auch für die gesamte Spule möglich, erfordert aber eine mechanisch 

aufwendig konstruiertes Werkzeug und scheidet aus Kostengründen aus. Für die geraden 

Abschnitte können hingegen Standardmaschinen verwendet werden. Ein erster Vergleich 

der verschiedenen Optionen hat gezeigt, dass ein Aufbringen der Grundisolation von Hand 

die kostengünstigste Variante ist. Zur Ermittlung des Endpreises wurde deshalb das 

Isolieren von Hand angenommen. 

Die Spulen werden mehrlagig halbüberlappend mit dem Glasfaserband umwickelt, so dass 

eine Grundisolation von ca. 3 mm Gesamtstärke entsteht. 

Die Qualität des Isolationssystems hängt stark von der Art des angewandten 

Imprägnierverfahrens ab. Das von BNN verwendete heißhärtende 

Vakuumimprägnierverfahren „Orlitherm“ gewährleistet in besonderem Maße hohe 

Spannungsfestigkeit, hohe mechanische Festigkeit und Strahlenbeständigkeit. 

Die fertig isolierte Spule wird in einem Umluftofen getrocknet, um der Isolation die 

Feuchtigkeit zu entziehen. Danach wird die Spule in ein Press- und Backwerkzeug 

eingebaut. Dieses Werkzeug bestimmt die Außenkontur der fertigen Spule und über den 

Pressdruck auf die gesamte Spulenoberfläche die Qualität der Isolation. Spule und 





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Werkzeug werden dann in einem Autoklaven montiert. Dort werden sie auf ca. 70°C 

erwärmt, es wird Vakuum gezogen und danach wird das vorevakuierte und erwärmte Harz 

eingelassen. Nachdem das Harz die Spule durchtränkt hat und im Steigrohr zu sehen ist, 

wird Stickstoff eingelassen. Langjährige Erfahrung in Konstruktion und Bau solcher 

Werkzeuge ist notwendig, um Hohlstellen, die sich aufgrund von Harzstau bilden können, 

zu vermeiden. Nach dem Aushärten des Harzes und dem Abkühlen wird die Spule aus 

dem Werkzeug ausgebaut und verputzt. 

Die Arbeitszeiten für das Wickeln und Vakuumimprägnieren der Spule wurde aufgrund 

unserer Erfahrungswerte abgeschätzt. Wickel- und Bandagiermaschine wurden bei 

verschiedenen Herstellern angefragt. 

3. Spulentests 

Es werden folgende Tests berücksichtigt: 

• Prüfung auf Windungsschluss 

Wir gehen von einer Windungsprüfspannung von 40 V pro Windung aus. Dieser Test 

wird je einmal nach dem Wickeln der Spule, an der imprägnierten Spule und als 

Abnahmetest durchgeführt. Vergleichbare Tests, mit einer etwas höheren Spannung, 

führen wir für die LHC Dipole durch. 

• Prüfung der Grundisolation 

Es wird von einer Prüfspannung von 5 kV gegen Erde ausgegangen. Bei jeder Prüfung 

auf Windungsschluss wird auch eine Prüfung der Grundisolation durchgeführt. Auch 

hier können wir auf Erfahrung in der Durchführung zurückgreifen. 

• Helium Lecktest 

Dieser Test ist der aufwendigste Spulentest. Das Equipment ist hier kostspieliger, als 

bei den anderen Tests und auch der Zeitaufwand ist höher. Für den Test werden ein 





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Lecksucher inkl. Auswertsoftware und Wagen, eine Messröhre, ein Vakuumbehälter, 

eine Vakuumpumpe und diverse Kleinteile wie Vakuumschläuche und Flansche 

benötigt. Die Rüstzeiten sind hier nicht unerheblich und das Abpumpen des Vakuums 

ist zeitaufwendig. Insgesamt ist mit einer Testzeit von etwa 7 Stunden pro Spule zu 

rechnen, wovon die Messzeit nur ca. 30 Minuten ist. Es wird angenommen, dass der 

Leiter bereits im geprüften Zustand geliefert wird. Der Test wird von BNN nach dem 

Wickeln der Spule durchgeführt. Außerdem wird in Stichproben an 20 % der montierten 

Magnete auf He Lecks getestet. Erfahrung im Durchführen solcher Tests und auch das 

notwendige Equipment ist bei BNN z.B. aus der Fertigung der Wendelstein 7-X Spulen 

vorhanden. Unsere Erfahrungswerte sind in die Kalkulation für diese Studie 

eingeflossen und durch Rücksprache mit Lieferanten für das Mess Equipment 

abgesichert worden. 

Weitere Sonderprüfungen werden hier nicht berücksichtigt. Notwendiges Test Equipment, 

insbesondere das vollständige Equipment für den Helium Lecktest, ist bei BNN vorhanden. 

Die Hardware-Kosten sind deshalb nicht im Endpreis enthalten und müssten 

gegebenenfalls bei anderen Herstellern addiert werden. 

4. Stützstruktur aus Aluminiumoxid 

Zwischen den parallelen geraden Schenkeln der Spule befindet sich eine Stützstruktur, die 

einerseits die Spule abstützt und andererseits das Strahlrohr aufnimmt. Nach Vorgabe der 

GSI soll diese Struktur aus Aluminiumoxid gefertigt werden. Gespräche mit verschiedenen 

Zulieferern haben gezeigt, dass es sich hierbei um eine anspruchsvolle und aufwendige 

Sonderfertigung handelt. Nach unseren Informationen ist auf dem deutschen Markt 

voraussichtlich kein Zulieferer in der Lage diese Struktur am Stück zu fertigen, da 

entsprechend große Öfen zum Brennen des Aluminiumoxids bei den Herstellern nicht 

vorhanden sind. Deswegen wird die Struktur aus Einzelstücken zusammengefügt, wobei 

die Verbindungsstellen nicht vakuumdicht sein müssen. 





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Die Angebote welche wir für die Aluminiumoxid Stützstruktur erhalten haben, zeigen große 

Schwankungen. Dies verdeutlicht, dass es sich um eine anspruchsvolle Fertigung mit 

großen Kalkulationsrisiken handelt. Dies rührt nicht zuletzt daher, dass derart große 

Komponenten aus Aluminiumoxid mit den geforderten Genauigkeiten sehr marktuntypisch 

sind. 

Abbildung: Prototyp einer Nuklotron Dipol-Spule zusammen mit Stützstruktur 

Alternativ schlagen wir als preisgünstigere Variante eine Fertigung aus GFK (z.B. G10) 

vor. Hierdurch ist eine Kostenreduktion von über 90 % bei der Stützstruktur gegenüber 

dem mittleren Preis einer Aluminiumoxid Variante möglich. Bei der Materialwahl für die 

Stützstruktur muss jedoch auch der Wärmeausdehnungskoeffizient der Materialien 

berücksichtigt werden. Die Montage des Magneten erfolgt bei Raumtemperatur. Eine 

kraftschlüssige Verbindung zwischen Spule und Stützstruktur muss aber auch bei der 

Betriebstemperatur von 4 K gewährleistet sein. Dies sicher zu stellen kann für eine GFK 

Stützstruktur mit einem größeren fertigungstechnischen Aufwand, verglichen mit einer 

Struktur aus Aluminiumoxid, verknüpft sein. 





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Die parallelen geraden Schenkel der Spule werden durch die oben abgebildete 

Stützstruktur in ihrer Bewegung beim gepulsten Betrieb des Magneten eingeschränkt. Für 

die gekröpften Enden ist in dieser Studie keine Verstärkung oder Stützstruktur 

berücksichtigt. Da aber Leiterbewegungen das Risiko eines Quenches erhöhen, erachten 

wir eine genauere Untersuchung der Ausführung der Spulenenden für sinnvoll. 

5. Zusammenbau von Eisenjoch und Magnet 

Das Eisenjoch des Magneten besteht aus zwei symmetrischen laminierten Halbjochen. Als 

Jochblech wird der Typ EBG M 600-100A in 1 mm Blechdicke verwendet. Der Füllfaktor 

des Jochs ist mit 98 % vorgegeben. Mechanische und magnetische Eigenschaften des 

Blechs finden sich im Anhang. Die Jochbleche sind mit einer Backlack Beschichtung 

überzogen. Die 100 mm starken Endblöcke sind angefast und verschweißt. 

Der geforderte Stanzgrad von maximal 5 % der Blechdicke, also hier 0,05 mm, ist nach 

unseren Erfahrungen mit Stanzbetrieben eine anspruchsvolle Forderung. Da es sich um 

eine Anforderung handelt die relativ stark von den Standardforderungen, z.B. beim 

Transformatorenbau, abweicht. Gegenüber einem Stanzgrad von max. 0,08 mm ist bei 

einem max. Grad von 0,05 mm ein etwa doppelt so häufiges Nachschleifen des 

Werkzeugs erforderlich. Durch eine entsprechende Lockerung der Spezifikation sind 

Kostenreduktionen beim Stanzen der Jochblech von mehr als 10 % möglich. Es muss 

aber sicher gestellt werden, dass Punktkontakte zwischen den Blechen vermieden 

werden, da diese zu Wirbelstromverlusten im Joch führen. 

Beim Stapeln der Jochbleche muss berücksichtigt werden, dass Bleche aus 

verschiedenen Produktionschargen gemischt werden. Dies geschieht, um Unterschiede 

zwischen den Blechen verschiedener Chargen auszugleichen und in der Serie Joche mit 

möglichst gut übereinstimmenden Eigenschaften zu erhalten. Der Arbeitsaufwand für das 

Mischen schlägt sich in den Herstellkosten und der Dauer nieder. 





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Zum Stapeln der Endpakete und des gesamten Halbjochs werden jeweils speziell 

angefertigte Werkzeuge benötigt. In diese werden die Bleche eingelegt und mit 

Gewindestangen vorgespannt. Um den vorgegebenen Füllfaktor zu erreichen, müssen die 

Halbjoche außerdem vermessen und gewogen werden. Nach Bedarf müssen dann noch 

Bleche hinzugefügt oder weggenommen werden. 

Das Verbacken der in das Werkzeug gespannten Joche erfolgt über Nacht in einem Ofen. 

Das Stapelwerkzeug dient auch zum Vorspannen des Jochs beim Verschweißen. Die 

Montage der mit Grundierung und Decklack gestrichenen Halbjoche mit den Spulen erfolgt 

mittels eines Montagewerkzeugs. Hiermit kann ein Halbjoch gewendet und fixiert werden, 

die Spule montiert und das zweite Halbjoch aufgesetzt und fixiert werden. Anschließend 

müssen noch diverse Spulenanschlüsse montiert werden. Montagezeiten und 

Werkzeugkosten für das Joch wurden auf der Grundlage unserer Erfahrungen beim Bau 

der ESRF Dipole ermittelt. 

6. Magnetfeld Messungen 

Übliche warme Standard-Magnetfeld Messungen (Integral (B*dL) vs. Strom, Effektive 

Länge, Harmonische im Feld bis N=6, Winkellage der Mittelebenen, Magnetisches 

Zentrum in Längsrichtung) sind in dieser Studie berücksichtigt. 

Ausgehend von diesen Messgrößen ist das notwendige Mess-Equipment (Rotating Coil 

Messvorrichtung, Laseranordnung zum Setzen von Justiermarken etc.) für die Nuklotron 

Dipole veranschlagt worden. Um die Zusammensetzung des Endpreises aber möglichst 

transparent zu gestalten, wurde die benötigte Hardware komplett im Endpreis 

berücksichtigt. 





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Kalte Magnetfeldmessungen werden üblicherweise am Standort des Experiments 

durchgeführt. Dies geschieht oftmals durch den Auftraggeber selbst, oder mit beigestellten 

Messmitteln. Je nach Verfahren variieren die Kosten hier stark. Deswegen werden kalte 

Magnetfeldmessungen im Endpreis nicht berücksichtigt. 

7. Quench Sicherung 

Die Quench Sicherung der Magnete erfolgt in Abstimmung mit der GSI durch eine kalte 

Diode. Üblicherweise werden die kalten Dioden separat von einem Lieferanten gefertigt 

und dem Magnetlieferanten beigestellt. 

Zur Kostenermittlung haben wir den Ansatz verfolgt, auf den Ist-Preis einer möglichst gut 

vergleichbaren kalten Diode eines anderen Magnetsystems zurückzugreifen. Hier bieten 

sich die kalten Dioden der HERA Dipole (B = 4,682 T bei I = 5027 A, typische 

gespeicherte Energie pro Dipol beim Quench 1,37 MJ) an. Ausgehend von den Daten 

einer Nachbestellung von kalten Dioden für HERA 1995/96 konnten die Kosten für die 

kalten Dioden für die Nuklotron Dipole inklusive Gehäuse sowie warmen und kalten 

elektrischen Tests ermittelt werden. 





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Abbildung: Kalte Diode zum Quench-Schutz der supraleitenden HERA Magnete 

8. Kryostat 

Es wird ein Kryostat für flüssiges Helium angenommen mit einem Vakuum- und einem 

Stickstoffschild und einer He-Leckrate kleiner 10 -9 mbar*l/s. Der Kryostat wird aus 

Edelstahl 1.4404 als Grundmaterial mit Schweißzusatz 1.4455 gefertigt. Alle Materialien 

werden komplett mit 3.1b Zeugnissen belegt. Für den Kryostaten ist eine Oberflächenriß- 

Prüfung (Schweißnähte Rot-Weiß), ein Helium-Integraltest und eine Verfahrensprüfung 

(TÜV Prüfung) vorgesehen. Es wird nicht davon ausgegangen, dass der Kryostat nach der 

Druckbehälterverordnung zu fertigen ist. 





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Abbildung: Skizze des Aufbaus eines Kryostaten für 4KDP Dipole 

An der Innenwand des Kryostaten sind Halterungen zur Aufhängung des Magneten 

angebracht. Aufhängungen an den Enden des Jochs werden als ausreichend 

angenommen. Verschiedene Methoden zur Aufhängung wurden alternativ untersucht: 

Methode Gewindestangen 

aus Edelstahl V2A 

Rundstäbe aus 

Cronifer 

Tragriemen aus 

GFK 

Wärmeisolation nicht optimal Gut sehr gut 

Kosten 45 % 100 % 120 % 





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Abbildung: Modell eines Nuklotron Dipols aufgehängt im Kryostaten 

V2A Gewindestangen oder Rundstäbe (siehe Abbildung eines Nuklotron Modell 

Magneten) sind die kostengünstigste Lösung. Sollte die Auslegung des Magneten zeigen, 

dass eine bessere thermische Entkopplung von Magnet und Kryostat notwendig ist, so 

sind hier einige Alternativvorschläge genannt. Eine Möglichkeit ist die Verwendung von 

Stangen aus einem Metall, welches ein schlechterer Wärmeleiter als V2A ist, wie dem 

hochlegierten Edelstahl Cronifer (Werkstoffnummer 1.4529, Datenblatt siehe Anhang). Die 

beste Entkopplung erwarten wir aber durch ein Aufhängen des Magneten an GFK 

Tragriemen (siehe Abbildung). 





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Abbildung: Tragriemen für die thermisch entkoppelte Aufhängung von Magneten in 

Kryostaten 

9. Option: speziell gestaltete Jochenden 

Als zusätzliche Option sollte für den 4KDP Nuklotron Dipol ein speziell gestaltetes 

Jochende betrachtet werden. Dabei werden die Endblöcke im Polbereich zusätzlich 

bearbeitet, um die AC Verluste im Joch zu minimieren. Hierdurch entstehen Zusatzkosten 

durch: 

• Werkzeuge 

• Lehren zur geometrischen Kontrolle 

• Hohen zusätzlichen Arbeitsaufwand in der Fertigung, da voraussichtlich trocken gefräst 

werden muss 

C. Standard Nuklotron Dipol 80KDP 

1. Konstruktiver Aufwand 

Gegenüber dem 4KDP Dipol ist der 80KDP Magnet konstruktiv aufwendiger. Bei der 

Kostenermittlung wird davon ausgegangen, dass das Paketband-Verfahren im Vorfeld der 

Serienfertigung auf seine Machbarkeit überprüft und konstruktiv ausgelegt worden ist. 





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Konstruktiver Aufwand etwa für eine Auslegung der Dicke der Paketbänder ist in dieser 

Studie nicht berücksichtigt. 

Es wird auch davon ausgegangen, dass die heliumgekühlte Spule nur durch einen 

Vakuumspalt vom stickstoffgekühlten Eisenjoch getrennt ist. Wärmetechnische 

Untersuchungen wären hier noch notwendig, um zu klären, ob eine Superisolation 

zwischen Spule und Joch notwendig ist. Insbesondere muss konstruktiv sichergestellt 

werden, dass keine Hot Spots an der Spulenoberfläche entstehen können, die zum 

Quenchen des Magneten führen können. 

Abbildung: Prinzip der Paket-Band Methode zur Fixierung der Spule 





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Zusätzlicher Konstruktionsaufwand für den 80KDP Dipol entsteht für die Konstruktion 

eines Werkzeugs, mit welchem man unter Serienbedingungen die Magnete mit der 

Stützstruktur durch die Paket-Bänder verspannen kann. Außerdem ist der Aufbau des 

Jochs mit der Paket-Band Lösung an sich auch konstruktiv aufwendiger, als der Aufbau 

des 4KDP Magneten. 

2. Material- und Fertigungsaufwand 

Für den 80 KDP Dipol werden zusätzliche sog. Wedges benötigt. Dies sind GFK, z.B. 

G10, Formteile, die eine gleichmäßige Kraftübertragung von den Paket-Bändern auf die 

Spule ermöglichen. 

Daneben werden die Paket-Bänder benötigt. Wir gehen davon aus, dass diese aus 

nichtmagnetischem Edelstahl gefertigt werden. Abweichend von den in den GSI 

Unterlagen genannten 0,3 mm wurde eine Dicke von 0,4 mm angenommen, da es sich 

hierbei um ein Standardmaß handelt und damit Kosten gesenkt werden können. 

Die mit Paketbändern eingespannte Spule muss vom Joch auf einem definierten Abstand 

gehalten werden. Hierzu werden zum einen GFK Scheiben als Abstandshalter eingesetzt. 

Zum anderen ist ein Verspannen mit Hilfe von Edelstahl Rundstäben, die durch 

Bohrungen im Joch geführt werden, notwendig. 

Für die industrielle Serienfertigung der Dipole wird ein aufwändiges Werkzeug benötigt, in 

welchem die Spule mit den Paket-Bändern mit definierter Zugkraft auf die Bänder 

verspannt werden kann. In diesem Werkzeug werden dann die Bänder verschweißt und 

überstehende Längen der Paketbänder abgetrennt. Als Schweißverfahren wird von WIG 

Schweißen ausgegangen. Die technische Machbarkeit muss hier aber erst überprüft 

werden. Beim WIG Schweißen treten punktuell hohe Temperaturen auf, welche die 

Aluminium Stützstruktur unter Umständen schädigen können. Außerdem muss für dieses 

Verfahren evtl. die Blechdicke erhöht werden. Alternativen wären Elektronenstrahl- oder 





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Laser-Schweißen. Speziell Elektronenstrahl-Schweißen ist wegen des benötigten 

Vakuums aber sehr kostenintensiv. 

3. Kryostat 

Für den 80 KDP Magneten wird ein Kryostat für flüssigen Stickstoff benötigt. Dieser ist 

konstruktiv einfacher, als der Helium Kryostat des 4KDP Dipols. Der Stickstoff Kryostat 

verfügt über ein Vakuum-Schild und Halterungen zur Aufhängung des Magneten im 

Kryostaten analog zum 4KDP Magneten. 

Abbildung: Skizze des Aufbaus eines Kryostaten für 80KDP Dipole 





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D. Zusammenfassung 

Ausgehend von der Annahme, dass die Entwicklungsarbeit an den Varianten 4KDP und 

80KDP der Nuklotron Dipole abgeschlossen ist, wurden die aktuellen Kosten für eine 

Serienproduktion unter industriellen Bedingungen ermittelt. 

Eine Betrachtung der Fertigungszeiten hat gezeigt, dass ausgehend von einer reinen 

Fertigungsdauer von 1,5 Jahren (exklusive konstruktiver Vorarbeiten) eine weitgehend 

serielle Fertigung möglich ist. Ein paralleles Ausführen ist nur für wenige 

Fertigungsschritte notwendig und sinnvoll. Hierdurch entstehen kaum zusätzliche Kosten. 

Die Spule der Nuklotron Dipole hat verglichen mit beispielsweise den LHC Dipolen wenige 

Windungen und der Leiter ist bereits isoliert, was in den Kosten berücksichtigt wurde. 

Andererseits ist jedoch für eine gekröpfte Sattelspule eine mechanisch aufwendige 

Wickelmaschine notwendig, und die gekröpften Enden der Spule bedingen auch deutlich 

höhere Fertigungszeiten als bei einer ebenen Spule. Zusätzlich muss ein zwangsgekühlter 

Hohlleiter einem Lecktest unterzogen werden. Dieser Test ist notwendig, aber auch 

zeitaufwendig. 

Durch eine Stützstruktur aus Aluminiumoxid wird die Spule einerseits abgestützt und 

andererseits das Strahlrohr aufgenommen. Bei diesem Bauteil handelt es sich um eine 

kostspielige Sonderfertigung. Anfragen bei verschiedenen Lieferanten haben eine große 

Bandbreite von Angebotswerten ergeben. Als kostengünstige Alternative sehen wir eine 

Ausführung der Stützstruktur aus GFK. 

Als interessante Alternative zur Aufhängung des Magneten an V2A Stangen sehen wir 

GFK Schlaufen an. Hierdurch wird, bei einer moderaten Kostensteigerung, eine bessere 

thermische Entkopplung von Magnet und Kryostat erreicht. 





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Die Variante 80KDP des Nuklotron Magnets ist auf der einen Seite sowohl konstruktiv als 

auch in der Fertigung deutlich aufwendiger als der 4KDP Dipol. Andererseits wird für den 

4KDP Magneten ein Helium Kryostat benötigt, während für die 80KDP Variante ein 

einfacherer und kostengünstigerer Stickstoff Kryostat ausreichend ist. Insgesamt 

unterscheiden sich beide Varianten in den Kosten nur geringfügig. Es muss aber an dieser 

Stelle darauf hingewiesen werden, dass in den ermittelten Kosten keinerlei 

Entwicklungsarbeiten berücksichtigt worden sind. Der Entwicklungsaufwand ist für die 

konstruktiv anspruchsvollere 80KDP Variante unserer Meinung höher einzustufen, als für 

die 4KDP Variante. 





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E. Zusammenstellung der Kosten 

1. Anmerkungen zu aufgeführten Positionen für 4KDP und 80 KDP 

Wickel- und Bandagiermaschine 

Für die Serienproduktion im 2-Schicht Betrieb wird bei einer reinen Fertigungsdauer von 

1,5 Jahren eine Wickelmaschine benötigt. Die Kosten sind im Endpreis enthalten (siehe 

Tabelle unten). Eine Bandagiermaschine für das Isolieren der parallelen geraden 

Spulenschenkel wurde nicht berücksichtigt, da aus Kostengründen von händischem 

Bandagieren ausgegangen wird. 

Test Equipment für Spulentests 

Die Anschaffung des gesamten Test Equipment verursacht Kosten in Höhe von ca. 65.000 

€, wovon etwa 45.000 € auf die Ausrüstung zur Helium Lecksuche entfallen. Da dieses 

Equipment bei BNN vorhanden ist, sind die Kosten im Endpreis nicht berücksichtigt. 

Stützstrukturen aus Aluminiumoxid 

Die Preise für 120 Stützstrukturen aus Aluminiumoxid inklusive der zur Fertigung nötigen 

Werkzeuge schwanken bei verschiedenen Angeboten um 58 %. Für die Kostenermittlung 

des Magnetsystems haben wir den mittleren Preis aus drei Angeboten verschiedener 

Zulieferer angenommen. 

Alle Preisangaben sind unverbindlich und verstehen sich zuzüglich der gesetzlichen 

Mehrwertsteuer. 





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2. Zusammenfassung der Kosten des Nuklotron Dipols 4KDP 

Nr. Position Kosten in € 

1 Engineering 

1.1 Engineering (Projektleitung, Konstruktion, Qualitätssicherung) 1.494.200 

2 Spulenfertigung 

2.1 Wickeln und Vakuumimprägnieren der Spule 564.100 

2.2 Leiter 539.900 

2.3 Wickelmaschine 458.700 

2.4 Tests 121.900 

3 Zusammenbau von Joch und Magnet 

3.1 Montage 626.900 

3.2 Werkzeuge 91.600 

3.3 Jochbleche 53.000 

3.4 Kalte Dioden 376.200 

3.5 Stützstruktur aus Aluminiumoxid 944.200 

3.6 Rotating Coil Equipment 356.300 

3.7 Tests 81.200 

4 Kryostaten, Endmontage, Abnahmetests 

4.1 Einbau Magnet in Kryostat 77.100 

4.2 Kryostate inkl. Anschlüsse und Aufhängung für Magneten 2.975.100 

4.3 Montagewerkzeug 76.500 

4.4 Abnahmetests 49.500 

Gesamtkosten 8.886.400 

Option: speziell gestaltete Jochenden 

Die Mehrkosten für speziell gestaltete Jochenden schätzen wir bei einer Serie von 120 

Magneten auf 207.500 €. 





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3. Zusammenfassung der Kosten des Nuklotron Dipols 80KDP 

Nr. Position Kosten in € 

1 Engineering 

1.1 Engineering (Projektleitung, Konstruktion, Qualitätssicherung) 1.566.700 

2 Spulenfertigung 

2.1 Wickeln und Vakuumimprägnieren der Spule 568.200 

2.2 Leiter 543.800 

2.3 Wickelmaschine 462.100 

2.4 Tests 122.800 

3 Zusammenbau von Joch und Magnet 

3.1 Montage 877.100 

3.2 Werkzeuge 184.800 

3.3 Jochbleche 53.400 

3.4 Kalte Dioden 378.900 

3.5 Stützstruktur aus Aluminiumoxid 951.100 

3.6 Rotating Coil Equipment 358.900 

3.7 Tests 81.800 

4 Kryostaten, Endmontage, Abnahmetests 

4.1 Einbau Magnet in Kryostat 77.600 

4.2 Kryostate inkl. Anschlüsse und Aufhängung für Magneten 2.165.000 

4.3 Montagewerkzeug 77.000 

4.4 Abnahmetests 49.900 

Gesamtkosten 8.519.100 

Kleine Kostenunterschiede zwischen gleichen Positionen in den Kosten der 4KDP bzw. 80 KDP Variante 

beruhen auf unterschiedlichen Overheadkosten, die auf die Einzelpositionen umgelegt wurden. 





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F. Anhang 

1. Jochbleche EBG M 600-100A 

Für das Joch werden Bleche des Typs EBG M 600-100 A verwendet. Diese haben 

folgende mechanische Eigenschaften: 

Rp0,2 ca. 385 N/mm 2 

Rm ca. 520 N/mm 2 

A ca. 23 % 

Die magnetischen Eigenschaften des Jochblechs können den folgenden Datenblättern 

entnommen werden. 

Siehe nachfolgende Seiten 31 und 32: Datenblatt zu Jochblechen. 





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2. 





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2. Edelstahl 1.4529 

Siehe nachfolgende Seiten: Datenblatt zu Cronifer Edelstahl Legierung. 





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3. Quellen 

Als Quellen dienten diverse Unterlagen zum neuen Beschleuniger Projekt der GSI, welche 

uns von der GSI zur Verfügung gestellt wurden. Aus diesen Unterlagen wurde auch 

Bildmaterial für diese Studie entnommen. 

Grundlage dieser Studie sind interne Dokumente der BNN, wie Angebots- und 

Auftragsunterlagen in Kombination mit unserem Know-how in der Fertigung von 

Magnetsystemen. 

Die Abbildung der kalten Diode für die supraleitenden HERA Magnete entstammt dem 

DESY Prospekt „HERA – Industrie, Wirtschaft, Wissenschaft“. 





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STUDIE DER BABCOCK NOELL NUCLEAR GMBH ZUR ... - GSI

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