Internationale Resonanz
Die industrielle Fertigung der 800 Beschleunigerresonatoren für den European XFEL ist ein komplexes Unterfangen mit vielen Beteiligten. Die DESY-Wissenschaftler Waldemar Singer und Detlef Reschke sorgen dafür, dass sich alles gut zusammenfügt.
Wie bestellt man komplexe Bauteile aus supraleitendem Niob, die noch niemand – außer man selbst – jemals hergestellt hat? Vor dieser Aufgabe standen der European-XFEL-Gesellschafter DESY in Hamburg und das Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Mailand letztes Jahr.
Nach 20 Jahren weltweit betriebener Entwicklung und Optimierung konnte die Fertigung der Beschleunigerresonatoren für den European XFEL ausgeschrieben werden. Über die Jahre hatten DESY und Partner auf der ganzen Welt ein beträchtliches Wissen über die Herstellung dieser ausgeklügelten Beschleunigerelemente gesammelt. Zudem hatten sie mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH in Hamburg gezeigt, dass die Metallstrukturen mit den notwendigen Eigenschaften produziert werden können.
Doch bei FLASH kommen nur 56 dieser Bauteile zum Einsatz, der European XFEL benötigt 800 davon. Diese Zahl ist ein neuer Weltrekord für supraleitende Beschleunigerelemente, deren Herstellung von einzelnen Forschungsinstituten nicht mehr gemeistert werden kann.
„Was wir machen, ist Technologietransfer. Wir unterstützen unsere Partner aus der Industrie dabei, uns zu liefern, was wir benötigen“, beschreibt Waldemar Singer die auf die Ausschreibung folgenden Schritte. Der 61-jährige Physiker ist Leiter des Arbeitspakets „Superconducting Cavities“ (Supraleitende Hohlraumresonatoren). Seine Doktorarbeit und viele Forschungsjahre widmete er den Materialwissenschaften und der Metallkunde. Nun verantwortet er die Herstellung von 800 Beschleunigerresonatoren, in denen hochfrequente elektromagnetische Felder (resonant, d. h. auf die Form abgestimmt) schwingen, um Elektronen auf hohe Energien zu bringen. „Wenn Sie 800 solcher Strukturen benötigen, um einen erstklassigen Elektronenstrahl zu erzeugen, müssen Sie Partner in der Industrie finden, die bereit sind, Ihre Rezepte zu lernen“, erklärt Singer.
Enge Zusammenarbeit und stetige Qualitätsüberwachung sind dabei entscheidend. „Wir haben die Resonatoren ohne Herstellergarantie bestellt“, sagt Singer. „Anderenfalls hätten wir sie weder rechtzeitig noch zu einem vertretbaren Preis bekommen. Aber wir wissen ja, wie man sie herstellt. Wir teilen unsere Rezepte mit den Herstellern und stehen in engem Kontakt mit ihnen, um sicherzustellen, dass sie unsere erfolgreichen Verfahren verwenden. Unser Team mit Experten wie Paolo Michelato, Axel Matheisen und Jens Iversen ist sehr zuversichtlich, dass wir so unser Ziel gut erreichen werden.“
Durch diese Zusammenarbeit verdienen die privaten Unternehmen Geld und erlangen Expertise. Auf der anderen Seite erhält der öffentlich finanzierte European XFEL seine Beschleunigerelemente. Das ist Technologietransfer in Reinform.
Anders als andere Röntgenlaserquellen basiert der European XFEL auf einem supraleitenden Elektronenbeschleuniger. Supraleitung ist die Eigenschaft von Stoffen wie Niob, einen verlustfreien Fluss von Strom zu ermöglichen (oder nahezu verlustfrei im Falle wechselnder Felder).
Das spart Energie. Niedrige Stromrechnungen und Kohlendioxidemissionen sind natürlich immer zu begrüßen, doch die Supraleitung liefert noch einen anderen immensen Vorteil: eine besonders hohe Zahl von Elektronenpaketen pro Sekunde. Mit konventioneller Beschleunigertechnologie sind rund 100 Elektronenpakete pro Sekunde möglich, bevor die Beschleunigerelemente zu heiß werden. Der European XFEL wird rund 300-mal so viele liefern und sogar ein kontinuierlicher Strahl könnte bei späteren Erweiterungen möglich sein. Mehr Elektronenpakete führen zu mehr Röntgenblitzen, wodurch die Dauer bestimmter Experimente enorm verringert werden kann und sich die Zahl der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die an der Anlage gleichzeitig forschen können, steigern lässt.
Die Kehrseite von Supraleitung ist, dass man die Beschleunigerelemente bis auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlen muss. Zudem sind supraleitende Materialien wie Niob schwieriger zu beschaffen als beispielsweise Kupfer. Der European XFEL benötigt 20 Tonnen hochreines Niob; dies ist die dann weltweit größte Ansammlung an einem Ort.
Die Herstellung der Resonatoren ist ein langwieriger Prozess: „Wir bestellen Niob bei vier Lieferanten, in China, Deutschland, Japan und Österreich“, erklärt Singer. „Das Material für die Beschleunigerresonatoren beispielsweise wird in quadratischen Blechen mit einer Seitenlänge von 265 Millimetern und einer Dicke von 2,8 Millimetern geliefert. Wir überprüfen dann die Reinheit und die Oberflächen der Bleche und senden das Ausgangsmaterial an zwei Hersteller in Deutschland und Italien.“
Dort werden die Beschleunigerresonatoren in Form gezogen und mit einem Elektronenstrahl verschweißt. Danach folgen Schritte wie Elektronenstrahlpolitur der inneren Oberfläche, Behandlung mit hochreinem Wasser und Wärme, Einstellen auf die Resonanzfrequenz, Einbau in einem Heliumtank und das Anbringen von Antennen.
Die fertigen Beschleunigerresonatoren liefern die Hersteller zurück an DESY, wo ein Team des polnischen Projektpartners prüft, ob sie die Spezifikation erfüllen. Danach gehen sie an das Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) in Saclay, Frankreich, wo jeweils acht Beschleunigerresonatoren zu einem Beschleunigermodul zusammengesetzt werden. Diese Module werden wieder an DESY geliefert, wo sie nach einem letzten Test in den Beschleunigertunnel des European XFEL eingebaut werden.
Dieses Verfahren klingt ziemlich kompliziert. Doch bevor Sie nun vorschlagen, dass man diesen Prozess doch bestimmt optimieren könnte, sollten Sie daran denken, dass der European XFEL ein internationales Projekt ist mit Partnern auf der ganzen Welt. Alleine sechzehn Institute sind an der Herstellung des Beschleunigerkomplexes beteiligt – und dies eben auch durch Bereitstellung von Personal vor Ort, um dadurch die nationale Expertise zu verbessern.
Nichtsdestotrotz muss es jemanden geben, der die Übersicht behält. Das ist die Aufgabe von Detlef Reschke, dem sogenannten „Cavity Owner“ in der Sprache des Projektmanagements. Der 49-jährige Physiker ist Experte für supraleitende Beschleunigerresonatoren. Nach seiner Doktorarbeit auf diesem Gebiet kam er 1995 zu DESY, wo er sich auf Oberflächenbehandlung und Testverfahren spezialisiert hat.
„Meine Aufgabe ist es sicherzustellen, dass alles glatt läuft, und zu reagieren, falls das nicht der Fall ist. Dazu haben wir zahlreiche Protokolle und Datenbanken aufgesetzt“, sagt Reschke. Der Herstellungsprozess wird eine große Zahl an Messwerten liefern. Reschke ist dafür verantwortlich, dass diese Werte verstanden und Probleme rechtzeitig erkannt werden. „Das ist schon eine echte Herausforderung – die Zahl der Resonatoren und die Zahl der Projektbeteiligten. Aber wir haben jede Menge Erfahrungen auf dem Gebiet und es wird alles klappen.“
Am Ende werden elektromagnetische Felder resonant in 800 Beschleunigerresonatoren schwingen, um Elektronenpakete auf hohe Energie zu bringen.
Autor: Dirk Rathje
