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Title
Baseline design of the cryogenic system for EURECA / Gerhard Burghart
AuthorBurghart, Gerhard
CensorWeber, Harald ; Fabjan, Christian
Published2010
DescriptionVIII, 176 S. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Diss., 2010
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)EURECA / Wärmeübertrager / Sinter / feines Kupferpulver / Verdünnungs Kryostat / verbleibende Wärmelasten / Dunkle Materie / Kapitza Widerstand / Wärmeübergangswiderstand
Keywords (EN)EURECA / heat exchanger / sinter / fine copper powder / dilution refrigerator / residual heat loads / Dark Matter / Kapitza resistance / thermal boundary resistance
Keywords (GND)Dunkle Materie / Detektor / Tieftemperaturtechnik
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-34971 Persistent Identifier (URN)
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Baseline design of the cryogenic system for EURECA [32.98 mb]
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Abstract (German)

Die Materie im Universum scheint zum überwiegenden Teil aus unbekannter Dunkler Materie zu bestehen. EURECA (EUropean Rare Event Calorimeter Array) ist eine europäische Kooperation, die gegründet wurde, um Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), die Hauptkandidaten für nicht-baryonische Dunkle Materie, zu entdecken und direkt zu erforschen. Dafür muss eine Masse von einigen Tonnen, bestehend aus dem Detektor Material und der Haltestruktur, mit Hilfe eines 3He/4He Verdünnungskryostaten auf 10 mK gekühlt werden. Die hohen Anforderungen an eine extrem geringe Radioaktivität untersagen die Benutzung von Wärmeübertragern aus gesintertem Silber, welche bisher das einzige Material waren um derartig hohe Kühlleistungen bei diesen tiefen Temperaturen zu erreichen.

Designstudien von kritischen Komponenten des kryogenischen Systems, wie die Abschirmung gegen Hintergrundstrahlung, ein System zum schnellen Austausch von Detektor Material und das angrenzende Kühlsystem, wurden durchgeführt und die am besten angepassten Lösungen bestimmt. Für eine verlässliche Vorhersage der notwendigen Kühlleistung für EURECA wurden die verbleibenden Wärmelasten studiert und analysiert. Die Technik, feine Kupfer Pulver zu sintern wurde optimiert und die Ergebnisse experimentell charakterisiert und analysiert.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein Baseline Design des kryogenen Systems des Dunklen Materie Detektors von EURECA entwickelt. Basierend auf den durchgeführten Messungen ist der optimierte Wärmeübertrager aus feinem Kupferpulver dazu in der Lage die notwendige Kühlleistung bei tiefsten Temperaturen zu erbringen, die für das beschriebene Kryostaten Design bestimmt wurde.

Abstract (English)

Dark Matter appears to dominate the matter in the Universe.

EURECA (EUropean Rare Event Calorimeter Array), a large European collaboration, was set up to discover and study directly Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), which are the main candidates for non-baryonic Dark Matter. Therefore, a large mass of several tons, consisting of the detector and the support structure needs to be cooled by a dilution refrigerator to a temperature of 10 mK. The requirement for an ultra-low radioactivity prohibits the use of a heat exchanger made of sintered silver, which so far is the only material to achieve the required very high cooling power at very low temperature.

Design studies of several critical components of the cryogenic system, such as the main shielding, the fast exchange of detector material and the proximity cryogenics, have been accomplished and the most suitable solutions were determined to meet the scientific requirements. For a reliable prediction of the required cooling power of the large detector array of EURECA, the residual heat load was experimentally studied and analysed. The techniques for sintering very fine copper powder have been optimized and the results are experimentally characterized and analysed.

Within the frame of this thesis project, a baseline design of the cryogenic system of the EURECA Dark Matter detector array has been developed. Based on the measurements, the optimised heat exchanger made of fine copper powder was found capable to achieve the required cooling power at the lowest temperature, which has been determined for the described design of the dilution refrigerator.