Methodology for the Electromagnetic Design of Superconducting Accelerator Magnets based on the Integrated Product Engineering Model - iPeM = Methodik für den elektromagnetischen Entwurf von supraleitenden Beschleunigermagneten auf der Grundlage des integrierten Produktentstehungsmodells - iPeM

In dieser Arbeit wird eine Methodik für den Entwurf der elektromagnetischen Aspekte von supraleitenden Beschleunigermagneten vorgestellt. Diese Methodik basiert auf dem integrated Product engineering Model (iPeM) und beschreibt die formalisierten Entwurfsschritte während des Simulationsprozesses eines solchen Magneten. Zur Implementierung der Methodik in aktuelle Simulationsabläufe wird ein Software-Tool, der sogenannte Magnet Model Management Layer (3ML), konzipiert und implementiert. Das Dissertationsprojekt wird am CERN durchgeführt, welches im Zentrum der Entwicklung supraleitender Beschleunigermagnete steht, um die Infrastruktur für internationale HEP-Experimente bereitzustellen. ... mehrDie Dissertation hat das Ziel, die Lücke der fehlenden organisationsweiten, ganzheitlichen Methodiken Entwicklungsunterstützung in diesem Bereich im Allgemeinen und am CERN im Besonderen zu schließen.
Entwicklungsherausforderungen in der Domäne, dem CERN als Organisation und in der CERN TE-MSC Gruppe werden identifiziert und quantifiziert. Diese Herausforderungen und ihr Einfluss aufeinander werden visualisiert und Erfolgskriterien für zukünftige Entwicklungsprojekte in diesem Bereich abgeleitet. Wissensmanagement und -transfer werden als kritische Herausforderung im Entwicklungsprozess für supraleitende Magnete identifiziert. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden die Methodik, der Tool-Support und die Integration durchgeführt. Eine Methodik für den Entwurf elektromagnetischer Magnete wird vorgestellt. Diese Methodik steht im Einklang mit den bestehenden Systems Engineering (SE) und Product Management (PM) Standards am CERN. Ein Tool-Support wird entwickelt und im Rahmen eines Validierungstests eingeführt, um den die Methodik den Anwendern zu vermitteln. Mit dem Fokus auf Wissensmanagement wurde der Magnet Model Management Layer (3ML) mit einer Webschnittstelle implementiert, die es allen Benutzern ermöglicht Simulationsmodelle zu organisieren und Referenzsystemelemente zu identifizieren, ohne ein spezielles Simulationswerkzeug öffnen zu müssen. Das Routine for the Optimization of magnet X-sections, Inverse field calculation and coil End design (ROXIE) Programm wird als Beispiel verwendet, um die Integration von 3ML in reale Simulations-Arbeitsabläufe zu demonstrieren. Es werden fortgeschrittene Modellierungsanwendungsfälle erläutert, die durch die neue Software ermöglicht werden.
Der Ausblick zeigt das Verbesserungspotenzial von 3ML auf und motiviert zu weiteren Tests und Validierungsstudien.

In this thesis, a methodology for the electromagnetic design of superconducting accelerator magnets is introduced. This methodology is based on the integrated Product engineering Model (iPeM) and describes the formalized design steps during the simulation process of such a magnet. To implement the methodology in current simulation workflows, a software tool, the so-called Magnet Model Management Layer (3ML), is prototyped and implemented. The thesis project is carried out at the European Organization for Nuclear Research (CERN), which is at the heart of superconducting accelerator magnet development to provide infrastructure for international High Energy Physics (HEP) experiments. ... mehrThe thesis aims to fill the gap of missing organization-wide, holistic magnet design support methodologies at CERN.
Development challenges in the domain, at CERN as an organization and in the CERN TE-MSC group are identified and quantified. These challenges and their influence on each other are visualized, and success criteria for future magnet design development projects are derived. Knowledge management and transfer are identified as a critical challenge in the superconducting magnet development process. Based on these findings, the methodology, tool support, and integration are carried out. A methodology for the electromagnetic magnet design is introduced. This methodology is in line with existing Systems Engineering (SE) and Product Management (PM) standards at CERN. A dedicated tool support is developed and introduced during a validation test to teach the methodology to its users. Focusing on knowledge management, the model management layer has been implemented with a web interface, enabling all users to organize simulation models and identify reference system elements without having to open a dedicated simulation tool. The Routine for the Optimization of magnet X-sections, Inverse field calculation and coil End design (ROXIE) simulation software is used as an example to demonstrate the integration of Magnet Model Management Layer (3ML) in real-world simulation workflows. Advanced modeling use cases enabled by the new 3ML are explained.
The outlook highlights the improvement potential of 3ML and gives motivation for further tests and validation studies.