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Carbon Fibre Reinforced Composites for the Tuning Structure of LHC RF Cavaties

Carbon Fibre Reinforced Composites for the Tuning Structure of LHC RF Cavaties
Über dieses Buch
  • Art: Diplomarbeit
  • Autor: Gero Pflanz
  • Abgabedatum: Mai 1997
  • Umfang: 124 Seiten
  • Dateigröße: 19,0 MB
  • Note: 1,0
  • Institution / Hochschule: Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig Deutschland
  • ISBN (eBook): 978-3-8324-0097-2
  • ISBN (Paperback) :
    978-3-8324-0097-2 P
  • ISBN (CD) :978-3-8324-0097-2 CD
  • Sprache: Englisch
  • Prämierung:
  • Arbeit zitieren: Pflanz, Gero Mai 1997: Carbon Fibre Reinforced Composites for the Tuning Structure of LHC RF Cavaties, Hamburg: Diplomica Verlag
  • Schlagworte: CFK für Teilchenbeschleuniger, Faserverstärkte Kunststoffe, Niedrigtemperaturanwendungen, SC Cavities, Thermische Spannungen in CFK

Diplomarbeit von Gero Pflanz

Abstract:

The suitability of different materials for the tuning structure of the LHC rf cavities is evaluated. The structure spanning the temperature interval from room to cryogenic is subjected to mechanical loading, and radiation.

A filament wound tube reinforced with high-strength carbon fibres is considered to be most appropriate.

Design calculations are performed using laminate theory. The safety margin for a cylindric filament wound tube under the given mechanical and thermal loading conditions is calculated for different winding angles.

The calculations indicate that the thermal load is causing shear and transverse stresses which are more critical than the stresses due to the mechanical load.

A fatigue test is performed with a prototype tube under thermal and mechanical working conditions as they are estimated for LHC.

Before and after the fatigue test, non-destructive testing methods (ultrasonic examination, microscopy, and geometry measurements) are employed to evaluate the material condition before and after the fatigue test.

All three non-destructive tests indicate that the prototype tube withstood the fatigue test damage free. No advice on fibre breakage, delaminations, or matrix micro-cracking has been found.

Table of Contents:

1. Introduction 1
2. Background 3
2.1 CERN 3
2.2 CERN's Future Project LHC 4
2.3 RF Cavities 5
2.4 Tuning of Cavities 7
3. Material and Geometry 11
3.1 Mechanical Load, Life Expectancy 12
3.2 Thermal Load 13
3.3 Radiation Resistance 13
3.4 Choice of Material 14
3.5 Choice of Structure 17
4. Design Calculations 21
4.1 Mechanics of Fibre-Reinforced Composites 21
4.2 Calculation of Stresses and Strains 23
4.2.1 Temperature Distribution 23
4.2.2 Stresses and Strains 26
4.3 Failure Analysis 34
5. Testing Methods 37
5.1 Destructive. 37
5.1.1 Tensile Properties 37
5.1.2 In-Plane Shear Properties 38
5.2 Non-Destructive Testing 38
5.2.1 Ultrasonic Testing 39
5.2.2 Radiography 43
5.2.3 Acoustic-Emission 44
5.2.4 Acousto-Ultrasonic Testing 45
5.2.5 Thermography 46
5.2.6 Other Methods 47
6. Testing 49
6.1 Non-Destructive Material Tests 49
6.1.1 Microscopy of End-Sections 50
6.1.2 Geometry 50
6.1.3 Ultrasonic Testing 51
6.2 Description of Fatigue Test 53
6.2.1 Test Assembly 53
6.2.2 Testing Procedure 55
6.3 Results and Discussion 57
6.3.1 Fatigue Test 57
6.3.2 Microscopy of End-Sections 57
6.3.3 Geometry 58
6.3.4 Ultrasonic Test 59
7. Conclusions 65
Bibliography 67
A. Initial Specification of the Diplomarbeit 75
B. Introduction to Accelerators 79
B.1 Introduction to Accelerator Physies 79
B.2 Development of Particle Accelerators 81
B.2.1 Direct Current Accelerators 81
B.2.2 Radio Frequency Accelerators 81
B.3 Synchrotrons, Storage Rings, and Colliders 83
C. Prototype Tube 85
C.1 Ply-Properties 85
C.1.1 Coefficients of Elasticity 85
C.1.2 Coefficients of Thermal expansion 86
C.1.3 Ply-Strength 86
D. Program Codes and Results 87
D.1 Temperature Distribution 87
D.1.1 Curve Fit, Thermal Conductivity 87
D.1.2 Iterative Solution of D.E. of Conduction of Heat 89
D.1.3 Curve-Fit to Solution 94
D.2 Ply Stresses and Strains 95
D.2.1 Program Code 95
E. Testing Results 109
E.1 Results of Micrography 109
E.2 Results of Ultrasonic Test at EMPA 114
E.2.1 Ultrasonic Test at EMPA 114

Arbeit zitieren:
Pflanz, Gero Mai 1997: Carbon Fibre Reinforced Composites for the Tuning Structure of LHC RF Cavaties, Hamburg: Diplomica Verlag

Schlagworte:
CFK für Teilchenbeschleuniger, Faserverstärkte Kunststoffe, Niedrigtemperaturanwendungen, SC Cavities, Thermische Spannungen in CFK

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