Damit die SwissFEL-Elektronen nicht auf die schiefe Bahn geraten
Kostengünstig und mit minimaler Fehlerrate – die Ziele, die sich die PSI-Ingenieure der Sektion Leistungselektronik für die Entwicklung der Magnet-Speisegeräte für den SwissFEL gesteckt haben, sind ehrgeizig. Ab 2016 wird die neue Grossforschungsanlage des PSI Röntgenlicht von höchster Brillanz erzeugen. Dazu müssen Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Rund 650 Magnet-Speisegeräte werden entlang des Beschleunigers jene Magnete mit Strom versorgen, die die Elektronen über mehrere hundert Meter exakt auf ihrer Bahn halten sollen. Eine digitale Steuereinheit, ein sogenannter Controller, soll den Strom in den Magneten bis zu 600'000-mal pro Sekunde mit einer Genauigkeit von 0,001 % Prozent messen und bei unerwünschten Abweichungen dem Sollwert angleichen.
Kaufen kann man solche Geräte nicht. Man könnte sie höchstens entwickeln lassen
, stellt Sektionsleiter René Künzi angesichts der Anforderungen klar. Warum dann nicht gleich selbst machen? Für den SwissFEL bauen die Ingenieure dabei auf Erfahrungen auf, die sie bei Entwicklung und Betrieb der Geräte für die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS gesammelt haben. Ihr damals entwickelter Controller ist eine Erfolgsgeschichte und in Labors weltweit unter PSI-Lizenz im Einsatz.
Für den SwissFEL haben die PSI-Ingenieure das System weiterentwickelt. Der schlanke SwissFEL-Strahl benötigt zu seiner Regulierung mehrheitlich schwächere Magnete und damit auch weniger leistungsstarke Speisegeräte, diese jedoch in grösserer Zahl. Eine massive Kostenreduktion war angesichts der erforderlichen Stückzahl unabdingbar
, betont Künzi. Diese konnten die Ingenieure nur über die Elektronik erreichen. Beim SwissFEL werden drei Speisegeräte über einen Controller gesteuert. Zudem ist die Steuerung nach dem Baukastenprinzip aufgebaut. Das erlaubt, teure Präzisionskomponenten nur da einzusetzen, wo sie tatsächlich benötigt werden
, so Künzi.
Herstellungskosten halbiert
So konnten die Ingenieure die Herstellungskosten nahezu halbieren. Doch ihr Ideenreichtum war keineswegs erschöpft. Denn nicht nur die Herstellung kostet, sondern auch die Fehleranfälligkeit im Betrieb. So fielen bei den SLS-Speisegeräten bestimmte Netzgeräte mit den Jahren vermehrt aus. Jedes Speisegerät hatte ein eigenes Netzgerät. Beim SwissFEL werden bis zu 21 Speisegeräte in einem gemeinsamen Schrank untergebracht und von einem einzigen Netzgerät versorgt. Ein zweites Gerät stellt sicher, dass bei einem Ausfall der Betrieb gewährleistet bleibt.
Als weitere Schwachstelle erwies sich die Kühlung. Künzi: Wir bemerkten nach etwa fünf Jahren einen verstärkten Ausfall der Lüfter, die zur Kühlung der Geräte eingesetzt wurden.
Bei den weniger leistungsintensiven SwissFEL-Speisegeräten kommt man nun ohne Lüfter aus. Bei der Elektronik wurde auf Energieeffizienz geachtet und damit die Abwärme reduziert. Ferner ist der Schrank mit Luftleitblechen ausgestattet. Diese sind so konstruiert, dass im Schrank von selbst ein Luftzug entsteht, der die Abwärme abtransportiert.
Die Speisegeräte, inklusive Schrank, sind fertig entwickelt und befinden sich in der Serienproduktion. An den wenigen, für den SwissFEL ebenfalls benötigten leistungsstärkeren Speisegeräten tüfteln die Ingenieure noch. Ohne forcierte Kühlung wird es hier nicht gehen. Sie soll jedoch so ausgeführt werden, dass ein einzelner kaputter Lüfter nicht zu einem Speisegeräte-Ausfall führt. Das wird auch bei diesen Speisegeräten die Ausfallsrate reduzieren
, ist René Künzi überzeugt.
Text: Paul Scherrer Institut/Martina Gröschl
