Entwicklung eines Softwaretools zur Berechnung der Flussdichteverteilung in einem Cavity-Receiver

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine Erweiterung eines Software-Tools zur Bestimmung der Strahlungsflussdichte an der Großforschungsanlage Synlight des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt entwickelt. Dazu wird auf Grundlage des bestehenden Software-Tools die Strahlungsflussdichte hinter dem Fokuspunkt mittels einer Annäherung an das Konzentrationsverhalten der Xenon-Kurzbogen-Lampen modelliert. Die Eignung des Modells wird anhand einiger Messungen für Flussdichteverteilungen validiert. Zu Beginn wird ein mathematisches Modell für die Konzentration von Strahlung mit einem elliptischen Konzentrator hergeleitet, welches die Bestimmung der Strahlungsflussdichteverteilung hinter dem Fokuspunkt liefert. Eine Verknüpfung der Verlängerung des Strahlenganges mit dem axialen Abstand des Strahlers ermöglicht eine Berechnung in einem beliebigen Abstand. Die Flussdichteverteilung der Strahler wird dabei über die Addition von bekannten bivarianten Laplace-Verteilungen bestimmt. Diese entspricht der Verteilung wie sie im Fokuspunkt berechnet wurde. Zusammen mit der Aufweitung des Strahlungskegels kann die Fläche bestimmt werden, über welche die Verteilung als Funktionsschar integriert werden muss. So wird die Modellierung der Flussdichte für jeden Strahler, abhängig von Einstrahlwinkeln und Streuungsparametern individuell vorgenommen und visualisiert. Das theoretische Modell der Aufweitung wird später durch ein auf Messwerte gestützten Ansatz für die Reduktion der Strahlungsflussdichte ersetzt. Weiterhin wird für die, durch verschiedene Einstrahlwinkel auf das Target, entstehende Positionsänderung des Brennflecks eine mathematische Rechenvorschrift hergeleitet. Dadurch lässt sich die Position des Erwartungswertes der Flussdichteverteilung innerhalb eines Receivers bestimmen. Das Flussdichtemodell und die Änderung der Position des Brennflecks werden in ein bestehendes Software-Tool eingearbeitet. Über das Programm kann der gewünschte Abstand eingestellt werden. Es ermöglicht eine Prognose für die Verteilung der Strahlung auf tieferen Ebenen innerhalb eines Receivers. Der Vergleich von Messung und Simulation zeigt für axiale Abstandsänderungen von bis zu 60 cm für Unterschiedliche Strahler und Einstrahlwinkel der Verteilung sowie für die Positionsgenauigkeit des Brennflecks eine gute Übereinstimmung. Abweichungen werden durch Deformierung der Reflektoren, veraltete Simulationswerte und ungenaue Fahrweise der Positionsantriebe des Strahlers verursacht.