MKS - Maschine, Kryogenik, Supraleitung

MKS - MASCHINE, KRYOGENIK, SUPRALEITUNG
Über MKS

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Über MKS

Unsere Gruppe MKS (Maschine - Kryogenik - Supraleitung) ist für die Bereitstellung der Helium-Kälteversorgung für die Beschleuniger (="Maschinen") bei DESY zuständig. Die Beschleuniger nutzen die Supraleitungs-Technologie und müssen daher für den Betrieb auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Zurzeit umfasst unser Zuständigkeitsbereich den HERA-Ring(siehe Links zu MKS1-HERA, HERA), und den VUV-FEL-Linearbeschleuniger(siehe Links zu MKS1-TTF, TTF, VUV-FEL).

Im Falle des HERA-Beschleuniger-Rings müssen die supraleitenden Magnete auf eine Temperatur von ca. 4 Kelvin (= -269 °C) abgekühlt werden. Die Temperaturen der supraleitenden Strukturen des VUV-FEL liegen bei ca. 2 Kelvin (= -271 °C). Das einzige Kühlmittel, mit dem sich solch niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erzeugen lassen, ist flüssiges Helium. Daher müssen wir große Helium-Kältemaschinen und -Verflüssiger benutzen. Die Technologie, die zur Erzeugung der sehr niedrigen Temperaturen benötigt wird, trägt die Bezeichnung ‚Kryogenik’. Unsere großen Kälteanlagen werden mit Hilfe moderner Prozesskontrollen betrieben(siehe Link zu MKS2).

Die Entwicklung supraleitender Technologie ist ein weiteres wichtiges Arbeitsfeld der Gruppe MKS. Sowohl der HERA-Beschleunigerring als auch der VUV-FEL-Linearbeschleuniger nutzen eine besondere Eigenschaft mancher Metalle und Legierungen, die als ‚supraleitend’ bezeichnet wird. Die Kabel in den HERA-Magneten sind aus einer Niob-Titan-Legierung gefertigt und zeigen, im Gegensatz zu normalleitenden Kabeln, selbst bei einer Stromstärke von bis zu 6000 Ampère keinen elektrischen Widerstand, solange sie auf eine außreichend niedrige Temperatur von ca. 4 Kelvin abgekühlt sind. Da kein elektrischer Widerstand und damit auch kein Energieverlust im elektrischen Leiter auftritt, kann bei dem Betrieb von HERA Energie gespart werden.

Der Linearbeschleuniger VUV-FEL beschleunigt Elektronen mit Hilfe elektrischer Wechsel-Felder von ca. 25 MV/m. Diese Felder werden in Resonatoren erzeugt(Cavities), die mit einer sehr hohen Frequenz von 1,3 GHz(Radio-Frequenz RF) arbeiten.
Die Verwendung der supraleitenden Technologie ermöglicht auch bei den RF-Cavities, die aus reinem supraleitenden Niob gefertigt sind, eine Einsparung von Energie um den Faktor 10.000, verglichen mit der normalleitenden Technologie. Dennoch wird auch in den supraleitenden Cavities eine Verlustleistung frei, die in das kühlende Helium übertragen wird.

Die Innenflächen der Niob-Resonatoren müssen durch chemisches Ätzen, Elektropolitur und Hochdruck-Wasserspülung vorbereitet und gereinigt werden. Hierfür kommen Reinräume zum Einsatz, um ein sehr großes elektrische Feld innerhalb der Cavities erzeugen zu können(siehe Link zu MKS3). Nach ihrer Bearbeitung müssen die Cavities in besonderen kryogenischen Testständen getestet werden(siehe Links zu MKS1-TTF, MKS1-CTA).

Supraleitende Magnete kommen bei Linearbeschleunigern auch zur Fokussierung des Teilchenstrahls zum Einsatz. Diese Magnet müssen entwickelt und getestet, wobei ihr magnetisches Feld gemessen wird.
Des Weiteren wird die Umgebung der supraleitenden Cavities hinsichtlich mechanischer Vibrationen und Außenmagnetfeldern überwacht(siehe Link zu MKS4). Die Gruppe MKS4 kümmert sich außerdem um die Erfassung der Testresultate der Cavities in einer Datenbank sowie um die Prozesskontrolle der Elektropolituranlage für die Cavities.

Die Entwicklung der supraleitenden Technologie für Linearbeschleuniger erfolgte im Rahmen der internationalen Zusammenarbeit für TESLA(siehe Link TESLA). Die Tests fanden in der TESLA Test Facility(TTF) bei DESY statt(siehe Links zu TTF, VUV-FEL).
Die Technologie, die ursprünglich für TESLA entwickelt wurde, wird zukünftig sowohl für den internationalen Linearbeschleuniger(ILC) (siehe Links zu TESLA, ILC) als auch für das europäische Röntgenlaser-Projekt(siehe Link zu XFEL) Verwendung finden. Die Gruppe MKS ist in beide Projekte eingebunden(siehe Links zu LC-activities, XFEL-activities)

Ich hoffe, dass Sie auf unserer Homepage viele interessante Informationen finden.

Freundliche Grüße
Bernd Petersen, Gruppenleiter MKS

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