Multiphysik-Berechnungen und -Simulationen in der effizienten Produktentwicklung von Röntgenquellen. Dr. Lothar Schultheis Comet AG
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- Kajetan Franke
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1 Multiphysik-Berechnungen und -Simulationen in der effizienten Produktentwicklung von Röntgenquellen Dr. Lothar Schultheis Comet AG
2 COMET Group CHF 228 million in sales ~ 650 employees COMET-YXLON Europe COMET-YXLON North America X-Ray Systems Division Modules & Components Division COMET-YXLON Japan COMET-YXLON China Industrial X-Ray Markets NDT Security Food packaging Sterilization Vacuum Capacitors
3 Unsere Produkte: Beispiel Röntgenquelle Kennzahlen: < 600kV < 4.5kW
4 Unsere Anwendungen: Beispiel Durchleuchten Beispiel Airport Security Hand- und Reisegepäck wird auf Waffen und Sprengstoffe untersucht. Beispiel Food Marmelade und Babyfood wird auf Fremdkörper im Glas untersucht.
5 Unsere Anwendungen: Beispiel Material prüfen Beispiel Stand alone Felgen für Autos werden auf Materialund Verarbeitungsfehler überprüft Beispiel mobil Pipelines, Dampf und Wasserleitungen in Kernkraftwerken werden bei der Herstellung und periodischen Inspektionen auf Material- und Verarbeitungsfehler überprüft
6 Das Prinzip - Röntgenstrahlen 1895 Wilhelm Conrad Röntgen 1901 Erster Physik-Nobel-Preis 1948 Gründung Comet Glas-Röntgenröhre 1975 Metall-Keramik-Röntgenröhre hohe Erwartung an die Zuverlässigkeit
7 Unsere Technologie: Metall-Keramik-Technologie im UHV Bipolare 450kV Röntgenröhre (±225kV unipolar) UHV Target Anodenkühler Filament Keramik-Isolator
8 Unsere Herausforderungen Entwicklungs- und Produktkosten Produktentwicklungszeit Mehr Röntgenleistung Verlustleistung, Targetbelastung Kleinerer Brennfleck Elektronenoptik, Targetbelastung Kleinere & leichtere Module Hochspannungsfestigkeit Beschaffung HS-Komponenten: 3 Monate Durchlaufzeit Röhreniteration: 6 Monate
9 Unser zentrales Dilemma Problembereiche Hochspannungsfestigkeit Targetbelastung Filamentlebensdauer Schwierige Diagnostik! Kritische Phänomene finden statt: unter Hochspannung bis 300kVDC Gefahr bei Röntgenstrahlemission Strahlenschutz im UHV oder Öl mangelnde Zugänglichkeit
10 Unsere Werkzeuge - Übersicht COMSOL Multiphysics realitätsnahe 3D Geometrie aus CAD Heat Transfer Hochspannungsfestigkeit AC/DC Temperatur Structural Mechanics CAD Import Thermische Ausdehnung AMaze & GamBet vereinfachte 3D Geometrie Trajektorien/Brennfleck HiPhi Dosisleistung OmniTrak HeatWave Temperatur GamBet (e-x-transport via Monte-Carlo Simulationen)
11 Unsere FEM Einsatzfelder in R&D Feldberechnung so präzise wie Geometrie und Materialparameter Feldberechnung mit Parametersimulation Modellierung von physikalischen Parametern Abschätzung möglicher Abweichungen Design Design Feldsimulation mit Modell Ersatz für undurchführbare Messung Trouble-shooting Modellierung von physikalischen Wirkmechanismen Abschätzung ihrer Relevanz Wissensgewinn durch FEM Berechnung & Modellierung
12 Unser Themenspektrum Multiphysik: COMSOL Röntgenröhre & Generator: elektrisches Feld Hochspannungsfestigkeit Röntgenröhre: Aufladung durch Feldemission / Rückstreuelektronen Hochspannungsfestigkeit Röntgenröhre: Wärme-Leitung/Strahlung am Filament Effizienz & Lebensdauer Anodenkühlung: gekoppeltes thermisches & Strömungsfeld Targetbelastung Filamenttrafo: gekoppeltes thermisches & elektrisches Feld Hochspannungsfestigkeit Multiphysik: AMaze, GamBet & MATLAB Target: Röntgengenerationseffizienz & Energiedichte Dosisleistung und Temperatur Röntgenröhre: raumladungsbegrenzter Stromfluss in Röhre Brennfleck Applikation: Röntgenabsorption & Streuung Leistungsfähigkeit
13 Unser Themenspektrum: Kurzfassung Hochspannungsfestigkeit Brennfleck & Thermische Targetbelastung Filamentlebensdauer,...
14 Hochspannungsfestigkeit: Wissensgewinn durch Versuche? Ist Messen einfacher? Viele Wirkmechanismen für mangelnde Hochspannungsfestigkeit Design: Abstände, Spannungen, Feldstärken Material: Defekte, mechanische Verspannung Oberflächen: Gasbedeckung, Mikrostruktur Vakuum: Restgas, Rest-Teilchen Betrieb: Rückstreuelektronen, SEV, Ladungstransport mit Rückkopplung Schwierige Versuchsplanung & -durchführung Durchschlag ist stochastisch Formieren während des Experiments: Verbesserung / Verschlechterung der Spannungsfestigkeit möglich Zeitabhängigkeit von Auf- & Umladung von Dielektrika Eindeutigkeit der Versuchsbedingungen? Aussagekraft von Beobachtungen?
15 FEM Beispiel: Wirklichkeitsnaher Geometrieaufbau aus CAD
16 Design FEM Feldberechnung - 50kV Mini-Generator Was macht man mit den bunten Bildern? Gutes Start-Design: Feldstärkenvergleich mit Referenz Positionierung der Komponenten Optimierung der Feldführung
17 Design FEM Feldberechnung - 225kV Kompaktgenerator Was macht man mit den bunten Bildern? Gutes Startdesign! 3D Feldstärkeverteilung 3D Verbund aus Dielektrika: Feldbelastung
18 Design Hochspannungsfestigkeit: Feldberechnung an Röntgenröhre Was macht man mit den bunten Bildern? Wissensgewinn: zunehmende Feldbelastung am Tripelpunkt
19 Design Hochspannungsfestigkeit: Grenzen der Feldberechnung Was macht man mit den bunten Bildern? Gutes Startdesign! kritische Feldstärken für Metall-Vakuum-Metall-Durchschlag
20 FEM in der Entwicklung von Röntgenquellen - Nutzen FEM - Einsatz Entwicklungprojekt: Erkennung & Beseitigung der kritischen Schwachpunkte Optimierung Zielgerichtetes Trouble-shooting Vorentwicklung/Innovationsstudien: Abschätzung der Leistungsfähigkeit Bereinigung von Zielkonflikten Wissensgewinn / Wissenmanagement Nachbildung der Produktrealität = = virtuelle Röntgenröhre & Generator Alternativen Trial & Error -Iterationen bis zum Erfolg / Abbruch Aufbau vieler Prototypen, aufwändige Versuche 6 Monate/Prototyp typische Röhre: 2-3 Jahre Verstreute Beobachtungen Design-Kompetenz
21 Fazit: Multiphysik-Berechnungen und Simulationen Spannungsfeld: hohe Kundenerwartung an die Zuverlässigkeit vs. Produktdesign am physikalischen-technischen Limit Unser zentrales Produktproblem: Hochspannungsfestigkeit Gekoppelte physikalische Wirkmechanismen Schwierige messtechnische Diagnostik, unzugängliche Problembereiche Multiphysik-Berechnungen und Simulationen an realen Prototypen Effiziente Problemlösungsmethodik im Trouble-shooting Ein gutes Startdesign & weniger Iterationsschlaufen Kürzere Entwicklungszeit
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