StartseiteUnternehmenKundenmagazin WIN!Im EinsatzKleinste Teilchen lösen größte Rätsel

Kleinste Teilchen lösen größte Rätsel

Mit dem Röntgenlaser European XFEL entsteht in Hamburg derzeit eine einzigartige Forschungsanlage. Extrem energiereiches Laserlicht wird hier schon bald nie da gewesene Einblicke in die Materie ermöglichen. Weidmüller ist mit Industrial-Connectivity-Lösungen zur Rangierverteilung und Datenübertragung an dem zukunftsweisenden Projekt beteiligt.

 

Man muss aufpassen, dass man bei der Besichtigung des European XFEL keinem der Radfahrer ins Gehege kommt. Insbesondere zur Mittagszeit passieren sie das Tunnelsystem zwischen dem Gelände des Forschungszentrums Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg und dem Forschungscampus im schleswig-holsteinischen Schenefeld, in dem die unterirdische Röntgenlaser-Einrichtung entsteht. Bei 3,4 Kilometer Länge kein Wunder, dass die hier arbeitenden Techniker lieber in die Pedale treten, anstatt zu Fuß zu gehen. Doch selbst der schnellste Radler unter ihnen schafft nur einen Bruchteil an Geschwindigkeit im Vergleich zu der Anlage, die seinen Weg säumt.

Vollkommen neue Forschungsmöglichkeiten

Im etwa zwei Kilometer langen Teilchenbeschleuniger der Anlage werden Elektronen – punktförmige Elementarteilchen – auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Beim Durchfliegen einer magnetischen Slalombahn erzeugen sie anschließend sehr kurze, sehr helle Röntgenlaserblitze. „Bis zu 27.000-mal in der Sekunde produziert der European XFEL ultrakurze Laserlichtblitze im Röntgenbereich – mit einer Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die der besten Röntgenstrahlungsquellen herkömmlicher Art“, erklärt Torsten Böckmann aus dem Bereich der Kryogenik (Tieftemperaturtechnik) bei DESY. DESY ist Hauptgesellschafter des Projekts, an dem elf europäische Länder beteiligt sind, und baut gemeinsam mit internationalen Partnern unter anderem den Beschleuniger. „Wie ein gigantisches Mikroskop wird der Laser auf diese Weise kleinste Atome und Moleküle sichtbar machen. Damit eröffnen sich Naturwissenschaftlern und industriellen Anwendern ab 2017 vollkommen neue Forschungsmöglichkeiten“, erläutert Böckmann.

Um Teilchen bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, nutzt DESY ein speziell entwickeltes Technologiekonzept. Supraleitende Hochfrequenzresonatoren (Cavities) übertragen dabei die Energie der eingespeisten elektromagnetischen Felder auf den Teilchenstrahl – nahezu verlustfrei und somit besonders effizient.

Verlustfreie Beschleunigung braucht frostige Umgebung

„Damit die elektromagnetischen Felder in den HF-Resonatoren verlustfrei schwingen können, benötigen sie eine extrem kalte Umgebung. Aus diesem Grund befinden sie sich in wärmeisolierten Röhren, in denen Helium eine Temperatur von 2 Kelvin, das heißt rund

 Jochen Bonfigt von Weidmüller (l.) mit Torsten Böckmann (M.) und Olaf Korth vom DESY

Jochen Bonfigt von Weidmüller (l.) mit Torsten Böckmann (M.) und Olaf Korth vom DESY

minus 271 °C erzeugt“, beschreibt Böckmann. „Um das hierfür benötigte suprafluide, sogenannte Helium-2 in ausreichenden Mengen herzustellen, betreiben wir spezielle Kälteanlagen. Diese kühlen das zunächst gasförmige Helium in einem zweistufigen Prozess herunter, bevor es dann in flüssigem Zustand verteilt werden kann.“

Für eine präzise Temperaturkontrolle kommen speziell entwickelte Tieftemperatursensoren vom Typ Cernox und TVO mit individuellen Kennlinien zum Einsatz. Um im Fall eines Defekts unterbrechungsfrei weitermessen zu können, sind sämtliche Sensoren zwei- bis dreifach redundant ausgelegt.

Applikationsspezifische Reihenklemmenlösung zur Rangierverteilung

„Bedingt durch die Reservesensoren hätte ein direktes Auflegen der 0,14-mm²-Temperaturleitungen eine Vielzahl von offenen Aderenden zur Folge. Daher hat man sich bei DESY für eine Verdrahtung über Rangierfelder entschieden“, erläutert Weidmüller Vertriebsmitarbeiter Jochen Bonfigt, der die Entwicklung des European-XFEL-Projekts seit Jahren mit begleitet. „Die rund 2.000 benötigten Felder werden in Serienproduktion nach industriellem Maßstab gefertigt. Zum Einsatz kommt unsere applikationsspezifische Reihenklemmenlösung PRV, mit der wir die kompakteste Rangierverteilung am Markt ermöglichen.“

 Für Ordnung und Sicherheit bei der Sensorverdrahtung sorgen rund 2.000 Rangierfelder unter Einsatz der PRV von Weidmüller

Für Ordnung und Sicherheit bei der Sensorverdrahtung sorgen rund 2.000 Rangierfelder unter Einsatz der PRV von Weidmüller

Die 1,5-mm²-Reihenklemme mit bis zu 16 Ebenen überzeugt durch ihr platzoptimiertes Format. Dank der hohen Signaldichte besteht genügend Raum für Reserveeingänge. Ein weiterer Planungsvorteil ergibt sich aus den Identifikationshilfen auf dem Produkt. Hier ermöglicht die farbige Matrixstruktur mit „Schachbrettmuster“ eine fehlerfreie Zuordnung der Signale.

„Die Verdrahtung wird zwar vor dem Einbau vorgenommen. Bei Servicearbeiten an den Schaltschränken, die sich etwa im European-XFEL-Tunnel im beengten Raum hinter den Beschleunigungsmodulen befinden, wird die problemlose Orientierung jedoch für immense Vorteile sorgen“, bekräftigt Bonfigt. „Gleiches gilt für die werkzeuglose Bedienung unserer PUSH IN-Reihenklemmen. Mögliche Umverdrahtungen ohne Spezialwerkzeug machen die PRV zu einer besonders wartungsfreundlichen Lösung für den laufenden Betrieb.“

Rund-um-die-Uhr-Verfügbarkeit

Weiterverteilt werden die Signale an den zentralen Kontrollraum in der Kältehalle, wo sämtliche Vorgänge im Rahmen der Kälteanlage an 365 Tagen im Jahr 24 Stunden lang überwacht werden. Da ein Ausfall der Anlage Unterbrechungen der jeweils laufenden Experimente bedeuten würde, hat die Wahrung der Verfügbarkeit höchste Priorität.

Neben den PRV-Reihenklemmen leisten auch aktive Komponenten von Weidmüller hierzu einen Beitrag. So kommen Power-over-Ethernet-Switche im Bereich der Schwingungssensoren zum Einsatz. Durch parallel geführte Daten- und Energieübertragung reduzieren sie spürbar den Verdrahtungsaufwand zwischen den vernetzten Geräten.

Beitrag zu großer Forschung

Mit Lösungen zur Rangierverteilung und Datenübertragung ist Weidmüller am zukunftsweisenden Projekt European XFEL beteiligt. Einzelne Komponenten leisten somit ihren Beitrag im Rahmen großer Forschung. Passend, wenn man bedenkt, welch große Rätsel die Forschungsanlage in Zukunft mittels kleinster Teilchen lösen wird. Von der Entschlüsselung von Biomolekülstrukturen über das Filmen chemischer Reaktionen bis hin zur Untersuchung von Materie in extremen Zuständen wird der XFEL-Röntgenlaser Wege weisen. Und wer weiß, womöglich verschaffen auf dieser Basis entwickelte neue Materialien oder Technologien auch den Radfahrern im European-XFEL-Tunnel zukünftig noch einen Geschwindigkeitsschub.

 Kontrollraum in der Kältehalle: Hier laufen die über die PRV rangierten Signale zusammen

Kontrollraum in der Kältehalle: Hier laufen die über die PRV rangierten Signale zusammen

 

Für Sie vielleicht auch interessant:

 

Veröffentlicht im November 2015