Die Hochdruckanlage

Die Hochdruckanlage wurde von Butz et al. [But 86] in Zusammenarbeit mit der Firma Schmidt, Kranz & Co., Zorge, BRD entwickelt und ursprünglich am CERN, Genf, CH eingesetzt. Nach Schließung des 600 MeV Synchrozyklotrons im Jahre 1990 wurde sie an das Paul-Scherrer- Institut (PSI), Villigen, CH verlagert. Die dort vorhandene, hohe Strahlintensität bedeutete zudem eine Verbesserung der experimentellen Bedingungen. Abbildung zeigt die verwendete Druckerzeugungsanlage.

  
Figure: Gaskompressionsanlage für Helium mit GPa.
Die Anlage befindet sich festinstalliert im Areal E1. Die einzelnen Komponenten sind in Abb.  schematisch dargestellt und im Text beschrieben.

Als druckübertragendes Medium wurde He-Gas gewählt, um die, für SR-Messungen notwendigen Bedingungen zu erfüllen:

• Relativ große Probenvolumina
  (um ein Stoppen der schnellen Myonen innerhalb der Probe sicherzustellen)
• Hydrostatische Druckverhältnisse
  (Spannungs- und Druckgradienten innerhalb der Probe können Ort und Diffusion des Myons beeinflussen und zudem zu einer Störung der inneren, magnetischen Feldverteilung führen, und somit das SR-Signal unbrauchbar machen.)

Die Verwendung eines Gassystem schränkt andererseits den möglichen Druckbereich auf GPa ein, da für höhere Drücke keine geeigneten Dichtungen mehr zur Verfügung stehen. Aus dem Phasendiagram (Abb. ) ist ersichtlich, daß Helium im zugänglichen Druck- und Temperaturbereich in den festen Zustand übergeht. Da in Helium auch im festen Zustand keine nennenswerten Scherspannungen auftreten, herrschen jedoch auch in diesem Bereich nahezu hydrostatische Druckverhältnisse.

  
Figure: Schmelzdruckkurve von He [You 81].
Die eingezeichnete, horizontale Linie markiert den maximalen Druckbereich.

Eine schematische Darstellung der Hochdruckanlage zeigt Abbildung .
Die Anlage besitzt drei Druckniveaus:

die durch Rückschlagventile (Check valves) voneinander getrennt sind.

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Figure: Schematische Darstellung der SR-Hochdruckanlage im Areal E1 am Paul-Scherrer-Institut, Villigen, CH

Jedes Druckniveau besitzt einen Druckspeicher (Storage), ein Sicherheitsventil (Safety valve) und ein Druck-Manometer. Alle Hochdruckkomponenten befinden sich festinstalliert innerhalb des überwachten Sicherheitsbereiches im Areal E1 und werden über ein Kontrollpult außerhalb dieses Bereichs bedient. Aus Sicherheitsgründen ist die Hochdruckanlage mit der Strahlenschutzanlage gekoppelt. Das Areal kann somit nur betreten werden, wenn sowohl Myonenstrahl als auch Hochdruckanlage inaktiv sind.

Die Kompression erfolgt in zwei Stufen:

1. Membrankompressoren, 0.3 GPa

   Heliumgas einer Druckflasche (6 MPa 20 MPa) wird mit Hilfe zweier, in Serie geschalteter Membrankompressoren auf einen Arbeitsdruck GPa komprimiert und in einem Druckbehälter mit 100 cm Volumen gespeichert. Ein Kontaktmanometer (Setpoint meter) zeigt den erreichten Druck am Kontrollpult an. Der Druckbereich dieser Stufe kann am Manometer beliebig eingeschränkt werden, so daß sich die Membrankompressoren bei Über- bzw. Unterschreiten dieser Grenzen automatisch aus- bzw. wieder einschalten.

2. Hydaulikgetriebener Druckübersetzer, 1.4 GPa

   Die Kompression des Heliumgases auf den maximalen Enddruck GPa erfolgt durch einen hydraulikgetriebenen Druckübersetzer (Intensifier), einem System aus zwei fest miteinander verbundenen Kolben mit Flächenverhältnis 1:63.

   Der Gasdruck auf der Seite des Hochdruckkolbens wird hierbei durch den Öldruck auf der Seite des Niederdruckkolbens bestimmt (entsprechend des Flächenverhältnisses 1:63). Der Öldruck des Hydraulikkompressors (Axialkolbenpumpe) wird über die Regulation des Durchflußes (3/2-Wegeventil, Pressure Regulator) innerhalb eines geschlossenen Ölkreislaufs geregelt. Ein Druckbegrenzungsventil beschränkt den maximalen Öldruck auf 22.5 MPa, entsprechend einem Gasdruck von maximal = 22.5 MPa 63 = 1.4 GPa.

   Nach einem vollständigen Druckhub schaltet das 3/2-Wegeventil auf Umlauf und der Kolben wird durch den Arbeitsdruck p = 0.3 GPa in die Anfangsposition gebracht (Saughub). Er ist somit bereit für einen weiteren Kompressionshub. Ein Temperaturwächter verhindert ein Überhitzen der Anlage bei Kühlwasserausfall.

   Ein Druckspeicher mit dem Volumen 2 cm dient zur Stabilisierung des Zellendrucks, insbesondere bei Temperaturänderungen.

Druckspeicher und Hochdruckzelle können durch ein pneumatisch getriebenes Absperrventil (Insulating valve) von der restlichen Anlage getrennt und diese durch zwei weitere Ventile (Relief valves) auf Flaschendruck entlastet werden. Der erreichte Enddruck wird mittels eines Druckabnehmers (Dehnungsmeßstreifen) ermittelt und am Kontrollpult (Digital meter) angezeigt. Der Druck in der Zelle bleibt mehrere Tage stabil.

Durch Öffnen des Absperrventils (Insulating valve) strömt das Heliumgas über ein Drosselventil in die Druckflasche zurück. Für einen vollständigen Druckablaß auf Atmosphärendruck wird die He-Flasche vom System getrennt und das in der Anlage verbliebene Gas über ein Ablaßventil (Relief valve) abgeblasen.