Die Forschungsanlage soll bis 2016 fertiggestellt sein. Der European XFEL erzeugt ultrakurze Laserlichtblitze im Röntgenbereich – 27.000-mal in der Sekunde und mit einer Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die der besten Röntgenstrahlungsquelle

Die Forschungsanlage soll bis 2016 fertiggestellt sein. Der European XFEL erzeugt ultrakurze Laserlichtblitze im Röntgenbereich – 27.000-mal in der Sekunde und mit einer Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die der besten RöntgenstrahlungsquelleMurrelektronik

Die Projektgruppe ‚X-Ray Optics & Beam Transport‘ bei der Forschungseinrichtung European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) betreut den Bereich von der Erzeugung des Röntgenlichts bis zum Experiment. Dabei handelt es sich um einen Abschnitt mit einer Länge von rund 900 m, in dem Röntgenlicht durch evakuierte Rohre geschickt wird. In diesen Rohren ist ein Vakuumdruck von weniger als 10-6 mbar erforderlich. Die dafür nötigen Vakuumventile, Schieber, Motoren zur Positionierung von Spiegeln und die Überwachungen von Kühlwasser und Druckluft sowie weitere Komponenten werden über Steuerungen koordiniert.

Für die 24-V-Versorgungsspannung der Steuerungen, die in Schaltschränken entlang der Röhre eingebaut sind, und der weiteren Komponenten vor Ort kommen Emparro-Schaltnetzteile von Murrelektronik zum Einsatz. Timo Korsch, Diplom-Physikingenieur bei European XFEL, nennt dafür einen ganz praktischen Grund: „Die Schaltschränke im Tunnel sind nur 1,20 m hoch. Darum ist eine einfache Verdrahtung erforderlich. Das ist bei den Emparro-Schaltnetzteilen durch Federkraftklemmen wunderbar sichergestellt.“ Denn die Netzteile verfügen über die Push-In-Anschlusstechnik. Der Vorteil: Die Anschlussdrähte lassen sich werkzeuglos von vorne montieren; auch ohne Nachziehen besteht ein dauerhafter Kontakt.

Sieben Varianten bieten die Lösung für viele Anwendungen.

Sieben Varianten bieten die Lösung für viele Anwendungen.Murrelektronik

Die Schaltnetzteile verursachen aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades von bis zu 95 %  nur wenig Verlustleistung. Das sorgt dafür, dass sie nur wenig Wärme an die Umgebung abgeben. „Eine geringere Wärmeentwicklung bedeutet für uns eine geringere Kühlung in den klimatisierten Schaltschränken“, erklärt Korsch.

Für einen Zeitraum von 4 s liefert das Netzteil bis zu 150 % Leistung. Mit dieser Power-Boost-Funktion lassen sich größere Lasten und Kapazitäten starten. Die Geräte arbeiten bei Temperaturen von -25 bis 60 °C zuverlässig und mit konstant hoher Leistung ohne Derating. Für gute EMV-Eigenschaften sorgt das Metallgehäuse. Die Netzausfall-Überbrückungszeit liegt bei mindestens 20 ms.

Das Schaltungskonzept ermöglicht einen Wirkungsgrad von 95 %.

Das Schaltungskonzept ermöglicht einen Wirkungsgrad von 95 %.Murrelektronik

Redundanz sorgt für sichere Forschungszeiten

In Zukunft werden Forscher aus der ganzen Welt anreisen, um Experimente an der Anlage durchzuführen. Die zur Verfügung stehenden Messzeiten werden ein kostbares Gut sein, die Anlage soll daher ohne Unterbrechungen laufen. Während des Betriebs der Anlage ist der Zugang zu den Tunneln durch ein Kontrollsystem gesperrt. Nur während der Wartungsperioden darf das Personal die Tunnel zur Fehlerbehebung betreten.

Die Redundanzmodule sorgen für eine gleichmäßige Auslastung der Schaltnetzteile.

Die Redundanzmodule sorgen für eine gleichmäßige Auslastung der Schaltnetzteile.Murrelektronik

Aus diesem Grund ist die Stromversorgung redundant aufgebaut: Jeweils zwei Netzgeräte werden mit zwei unterschiedlichen Phasen betrieben und durch das Redundanzmodul MB Redundancy Balance entkoppelt. „Das bietet beim Ausfall eines Netzgerätes die große Chance, den Betrieb bis zum nächsten Wartungstag aufrecht zu erhalten“, erklärt der Diplomphysiker. Da das Redundanzmodul für eine gleichmäßige Auslastung beider Netzgeräte sorgt, verlängert sich außerdem die Lebensdauer der Geräte.

Dass sowohl die Schaltnetzteile als auch die Redundanzmodule über Meldekontakte verfügen, stellt für die Anlagenbetreuer einen zusätzlichen Vorteil dar. „Dadurch ist uns eine Möglichkeit zur Ferndiagnose an die Hand gegeben“, erklärt Korsch. Treten Spannungsausfälle auf, kann eine Information darüber unmittelbar ausgelesen werden.

Anwendung im Detail

Die Forschungsanlage XFEL

Der European XFEL verläuft größtenteils in Tunneln unter der Erde, zu denen drei Betriebsgelände Zugang ermöglichen. Die 3,4 km lange Anlage reicht vom Forschungszentrum Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy) der Helmholtz-Gemeinschaft in Hamburg bis in die schleswig-holsteinische Stadt Schenefeld. Dort entsteht ein Forschungscampus, auf dem internationale Teams von Wissenschaftlern mit den intensiven Röntgenblitzen experimentieren werden.

Um die Röntgenblitze zu erzeugen, werden Elektronen zunächst in einem Teilchenbeschleuniger in Paketen auf ein hohes Energieniveau gebracht und durch spezielle Magnetanordnungen (Undulatoren) gelenkt. Dabei senden die Teilchen Licht aus, das sich immer mehr verstärkt, bis schließlich ein kurzer und intensiver Röntgenblitz entsteht. Pro Sekunde sind das 27.000. Mit den Röntgenblitzen lassen sich beispielsweise atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, dreidimensionale Aufnahmen aus dem Nanokosmos machen, chemische Reaktionen filmen und die Vorgänge im Inneren von Planeten untersuchen.

Quelle: xfel.eu