Bilfinger Noell GmbH

Navigation
Meldungen Detail

Neuer supraleitender Undulator liefert erstes Röntgenlicht bei ANKA

26.06.2015

Erfolgreicher Einbau und Test des supraleitenden Hochleistungsundulators SCU15

Synchrotronstrahlungsquellen geben Einblick in die Welt winziger Strukturen, wie z. B. Mikroben, Viren oder Nanomaterialien. Sie basieren auf einer speziell angepassten Magnettechnologie, die für die Erzeugung von Strahlen höchster Intensität optimiert wurde. ANKA, der Synchrotronstrahlungsquelle am KIT, und Babcock Noell GmbH ist nun ein großer technischer Fortschritt gelungen: Gemeinsam haben sie einen neuartigen supraleitenden Undulator entwickelt und diesen dann eingebaut und erfolgreich getestet. Der Undulator erreicht deutlich höhere Magnetfelder für die Erzeugung von Röntgenstrahlen als die zurzeit weltweit eingesetzten konventionellen Undulatoren auf der Basis von Permanentmagneten.

Synchrotronstrahlung ist eine der intensivsten Quellen von Röntgen- und Infrarotstrahlung und von höchstem Nutzen für die Forschung sowohl in der Industrie als auch in der Wissenschaft. Sie bietet einzigartige Einblicke in die Welt der Biologie, Medizin, Chemie und Physik und lässt sich im Rahmen eines zerstörungsfreien Verfahrens zur Analyse von Werkstoffen und Bauteilen für zukünftige Anlagen und Maschinen einsetzen. Die Synchrotronstrahlungsquelle ANKA des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Industriepartner Babcock Noell GmbH (BNG) haben nun einen neuartigen supraleitenden Undulator entwickelt und ihn während der Winterrevision 2014/2015 erfolgreich in den ANKA-Speicherring eingebaut und getestet.

Der neuartige supraleitende Hochleistungsundulator trägt die Bezeichnung SCU15 und ist eine 1,5 m lange Vorrichtung, die die Elektronen mit Hilfe eines periodischen Magnetfelds mit 100 Perioden von jeweils 15 mm auf eine wellenförmige Bahn zwingt. „Der Einbau und zuverlässige Betrieb des SCU15 ist ein wichtiger Meilenstein in unserem Langzeitforschungs- und -entwicklungsprogramm für Einbaukomponenten der nächsten Generation und stellt einen bedeutenden Durchbruch in der Entwicklung von supraleitenden Einbaukomponenten dar,“ betont Dr. Sara Casalbuoni, Leiterin der ANKA-Forschungsgruppe Einbaukomponenten. Cristian Boffo, Leiter der Entwicklungsabteilung für Magnettechnologien bei BNG, ergänzt: „Neue technische Ansätze, die der Entwicklung des SCU15 zugrunde liegen, haben zu diesem erfolgreichen Abschluss des ersten Meilensteins unserer KIT-BNG-Kooperation beigetragen. Der SCU15 ist eine weltweit einzigartige Komponente.“ Die gemeinsame Entwicklung wurde im Rahmen eines mehrjährigen Forschungs- und Entwicklungsprogramms für supraleitende Einbaukomponenten von der Helmholtz-Gemeinschaft gefördert.

Bei einem Undulator handelt es sich um eine Folge von Dipolmagneten mit abwechselnden Magnetfeldrichtungen, die einen Strahl von Hochenergieelektronen auf eine „wellenförmige“ Bahn zwingen, was die Emission starker und hoch kollimierter elektromagnetischer Strahlung zur Folge hat. Im Gegensatz zu konventionellen Undulatoren auf der Basis von Permanentmagneten, basiert SCU15 auf supraleitenden Elektromagneten. Grundlage ist die Fähigkeit einiger Materialien, bei sehr niedrigen Temperaturen extrem hohe elektrische Ströme ohne jeglichen Widerstand zu leiten. Die hohen Ströme erzeugen hohe magnetische Felder innerhalb der Komponente. Dank des Einsatzes hoch präziser Komponenten erfüllt SCU15 sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit des Magnetfeldes. Der SCU15 ist damit der erste supraleitende Undulator, der deutlich höhere Magnetfelder als vergleichbare kryogene Undulatoren auf der Basis von Permanentmagneten erreicht.

Die Entwicklung supraleitender Undulatoren in Karlsruhe begann in den frühen 1990er Jahren. Das KIT besitzt mehrere Patente im Bereich der supraleitenden Undulatortechnologie (z. B. H. O. Moser, B. Krevet und H. Holzapfel (1991), Patent DE 4101094 C1). Bereits 2005 wurde ein erstes Demonstrationsmodell eines supraleitenden Undulators mit einer Periodenlänge von 14 mm und 100 Perioden (entwickelt in Kooperation mit Accel GmbH) in den ANKA-Speicherring eingebaut und in Betrieb genommen. Die erzielten Ergebnisse waren von großer Bedeutung für die weiteren Arbeiten. So wurde beispielsweise beobachtet, dass die vom Elektronenstrahl erzeugte Wärmelast das höchste erreichbare Magnetfeld begrenzte. Der Wert lag unter dem mit Undulatoren auf der Basis von Permanentmagneten erreichbaren Magnetfeld. Auf der Grundlage der daraus von ANKA gewonnenen Erkenntnisse und der großen Erfahrung von BNG auf dem Gebiet der Entwicklung und Herstellung von leitungsgekühlten Systemen, z. B. eines Elektromagneten, der erfolgreich in der Spallationsneutronenquelle (SNS) am U.S. Oak Ridge National Laboratory eingesetzt wurde, wurde der SCU15 so optimiert, dass ein höheres Magnetfeld erzielt wird.

Professor Anke-Susanne Müller, eine von drei Direktoren von ANKA und Leiterin der Gruppe für Beschleunigerforschung am KIT, unterstreicht: „Die Ergebnisse, die wir mit dem SCU15 bei ANKA erzielt haben, sind sehr vielversprechend und ermutigend, was die zukünftige Nutzung von SCU-Komponenten in vorhandenen Synchrotronstrahlungsquellen und Strahlungsquellen mit geringer Strahlungsdichte der nächsten Generation angeht. Erste Entwürfe liegen bereits vor.