Master- und Bachelorarbeiten

Masterarbeit:
Materialphysikalische Untersuchungen von ConFlat^®-Flanschverbindungen unter Tieftemperaturbedingungen

Problemstellung:

ConFlat^®(CF)-Flanschverbindungen sind heutzutage die am häufigsten verwendeten Verbindungselemente von Hoch- und insbesondere von UltraHochVakuum(UHV)-Komponenten. Entwickelt bereits Anfang der 1960er Jahre von der US-amerikanischen Fa. Varian (William R. Wheeler), hat sich diese Flanschtechnologie als Standard für lösbare Verbindungen von UHV-Bauteilen weltweit durchgesetzt. Seit Mitte der 1980er Jahre existiert eine internationale Norm (ISO) für die Flanschgeometrie bei unterschiedlichen Nennweiten. Metallgedichtete CF-Flanschverbindungen haben den entscheidenden Vorteil, selbst bei Ausheiztemperaturen von bis zu 500 °C extrem geringe Leckraten (< 10^-11 mbar·l/s) aufzuweisen, weshalb sie für Vakuumsysteme, in denen UHV-Drücke erzeugt und dauerhaft aufrechterhalten werden sollen, unverzichtbar sind.
Das Dichtprinzip der CF-Verbindungen basiert auf einem Schneidprozess, bei dem sich die für CF-Flansche charakteristischen Schneidflanken zweier geometrisch identischer und typischerweise aus Edelstahl gefertigter Flanschpaare unter äußerer Krafteinwirkung in einen i. d. R. 2 mm dicken Kupferflach-Dichtring hinein schneiden (wobei auch andere Dichtmaterialien Verwendung finden), wodurch die erforderliche Dichtheit erreicht wird.
Die Flanschtechnologie soll im gesamten kryogenen Strahlvakuumsystem des derzeit im Bau befindlichen SchwerIonenSynchrotrons SIS100  bei FAIR in Darmstadt eingesetzt werden. Während sich CF-Flanschverbindungen in ausheizbaren Vakuumsystemen seit Jahrzehnten bewährt haben, haben jüngste Untersuchungen indes jedoch gezeigt, dass CF-Flansche unter Tieftemperaturbedingungen bis 4,2 K herab nicht immer leckfrei bleiben. Lecks in den kryogenen Abschnitten der Strahlführungsstrecke des SIS100 würden jedoch ernsthafte und nicht zu unterschätzende Probleme im Strahlbetrieb der Beschleunigeranlage nach sich ziehen. Zwar werden CF-Flanschverbindungen auch in einigen anderen Beschleunigervakuumsystemen mit kryogenen Bereichen eingesetzt, aus der Fachliteratur sind jedoch bislang kaum belastbare Studien bekannt, die eine uneingeschränkte bzw. generelle Anwendbarkeit von CF-Flanschen in Tieftemperaturbereichen eindeutig belegen.

Im Rahmen einer Masterarbeit soll die CF-Flanschtechnologie auf ihre Tauglichkeit hin für kryogene Vakuumsysteme systematisch untersucht und evaluiert werden. Die zu bearbeitende Thematik beinhaltet material-, tieftemperatur- und vakuumphysikalische Aspekte und hat somit einen stark fachübergreifenden Charakter. Die Arbeit ist unmittelbar eingebettet in das Großforschungsprojekt FAIR , welches derzeit in einem internationalen Expertenumfeld aus Physikern, Ingenieuren und Technikern bei GSI realisiert wird.

Schwerpunkte der Masterarbeit könnten umfassen:

• Experimentelle Untersuchungen von CF-Flanschverbindungen mit verschieden gefertigten Flach-Dichtringen (gestanzt, gedreht, ungeglühte und weichgeglühte OFHC- Kupferdichtungen, Ag-beschichtete Kupferdichtungen, Dichtungen aus speziellen Kupferlegierungen, von der Norm abweichende Kupferdichtring-Dicken, etc.) unter Tieftemperaturbedingungen
• Untersuchung des Einflusses vorherig durchgeführter Wärmebehandlungen von CF-Flanschen (z.B. Wasserstoffarmglühen bei 950°C) auf den Dichtprozess unter Tieftemperaturbedingungen
• Analyse der CF-Schneidkantengeometrie (u.a. Variation des sog. counter slope-Winkels) im Hinblick auf Leckfreiheit unter Tieftemperaturbedingungen
• Theoretische Untersuchung des Dichtprozesses von CF-Flanschen im Raumtemperatur- und im Tieftemperaturbereich mittels FEM-Analyse und ggf. Ableitung geeigneter Schrauben-Anzugsdrehmomente (unter Berücksichtigung der notwendigen Schraubenfestigkeitsklasse sowie in Abhängigkeit einer etwaigen Schraubenbeschichtung, typischerweise mit Silber) oder Dichtringmaterialien für kryogene CF-Flanschverbindungen
• Untersuchung der Abnutzung der CF-Schneidkante bei wiederholter Montage und Demontage

Kontakt:
Klaus Blaum ()