Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG

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Ausgabe 04/2018, 13.04.2018

Materialforschung im Sub-Nano-Bereich

Die nur Femtosekunden langen «Röntgen-Lichtblitze» des SwissFEL beim Paul-Scherrer-Institut (PSI) im aargauischen Würenlingen ermöglichen der modernen Wissenschaft Einblicke in kleinste Strukturen unserer Welt, bis herab zum einzelnen Atom. Der Free-Electron-Laser (FEL) produziert diese Blitze. Bei der Errichtung des FEL-Projekts spielte unter anderen die Agathon AG als Hersteller von Schweizer Höchstpräzisionsmechanik eine wichtige Rolle.

Pirmin Böhler, beim PSI mitverantwortlich für die Entwicklung der so genannten Undulatoren des FEL, weiss: «Der SwissFEL ist die neueste und modernste von weltweit nur fünf derartigen Anlagen und bereits jetzt ein Anziehungspunkt für Spitzenforscher aus aller Welt.» Die wesentlichen Kernkomponenten der Anlage beinhalten komplexe Anordnungen von extrem starken Magneten wechselnder Polarität, die für die Strahlformung vor dem Auftreffen auf das eigentliche Ziel verantwortlich sind und den hindurchschiessenden Elektronen eine schlangenförmige Bahn aufzwingen. Erst hierdurch erhält der dabei entstehende Röntgen-Laserstrahl die Eigenschaften, die ihn zum einzigartigen Instrument machen.

Insgesamt dreizehn dieser massiven Konstruktionen mit einem Gewicht von je 17 t stehen auf einer Länge von rund 60 m im letzten Abschnitt der Anlage, bevor der Strahl auf das Ziel auftrifft. Jeder Undulator enthält 1060 Magnete, die hochpräzise ausgerichtet sein müssen, damit der Elektronenstrahl die geforderten hochintensiven Röntgenblitze erzeugen kann.

«Mit der insgesamt über 700 m langen Anlage müssen wir Ziele treffen, die so winzig sind wie ein Molekül», ergänzt Böhler. Deshalb war bei der Herstellung der Undulatoren höchste Präzision bis ins Detail gefragt. Ihr Kernstück sind die Schienen mit den Reihen von Magneten, zwischen denen der Röntgenblitz entsteht. Der Spalt dazwischen ist zwischen 3 und 18 mm einstellbar. Schon im Ruhezustand und bei jeder Neueinstellung treten aufgrund der starken Magnetfelder extreme Kräfte in Längsrichtung auf. Diese Kräfte müssen durch zwei stabile Säulenführungen aufgefangen werden, damit sich die Schienen mit den Magneten nicht verschieben können. Die Anforderungen an diese Führungen sind extrem hoch, weil die Magnetschienen für die Verstellung des Spalts in vertikaler Richtung frei beweglich sein müssen, während sie in alle anderen Richtungen trotz der wirkenden Kräfte keinerlei Bewegung zulassen dürfen. Anderenfalls käme es zu Positionsveränderungen, die sich nachteilig auf die Qualität des Strahls auswirken würden.

«Solche Undulatoren gibt es nirgendwo fertig zu kaufen, sie müssen massgeschneidert entwickelt werden», verrät Böhler. Dies erfordert eine sehr enge Zusammenarbeit der Physiker und Ingenieure des PSI sowie der beteiligten Firmen. Letztere sind die Praktiker, die sich mit der Umsetzbarkeit solcher Vorgaben in die Realität befassen müssen.

Da bei den Undulatoren zahlreiche Unternehmen aus unterschiedlichsten Gebieten zusammenwirken, wurde der Auftrag für die Serienfertigung an eine Firma vergeben, welche die Federführung und Gesamtverantwortung übernahm und sich für die unterschiedlichen Detailaufgaben auf jeweils geeignete Zulieferer stützte. Diese Rolle fiel der Firma Daetwyler aus Bleienbach zu, die Hochpräzisionsdruckmaschinen herstellt, aber auch das Know-how und die Innovationsfreude für solche Projekte mitbringt.

Für die erwähnten Säulenführungen fiel die Wahl auf die Agathon AG in Bellach. Das Unternehmen ist ein führender Hersteller von Schleifmaschinen sowie von Normalien und Führungselementen für den Maschinen-, Werkzeug- und Formenbau. Auf dem Gebiet von Präzisionsführungen für hochbelastete Maschinen verfügt man über jahrzehntelange Erfahrung, auch in der Entwicklung anspruchsvoller Sonderlösungen. Bei den Säulenführungen für die Undulatoren mussten auf der Grundlage dieses Know-hows neue Lösungswege beschritten werden.

Die zu beherrschenden Kräfte waren bei diesem Projekt so enorm und die Genauigkeitsanforderungen so hoch, dass man bei der Auslegung der zylindrischen Führung in der Magnetschiene fertigungstechnisch einen Sonderweg gehen musste. Dies erforderte eine spezielle Konstruktionslösung für den Mittenbereich des Käfigs, der aus fertigungstechnischen Gründen freigestellt werden musste, weshalb sich dort keine Rollen befinden. Grund hierfür waren maschinell bedingte Einschränkungen bei der erforderlichen Feinstbearbeitung der Buchse.

Um die erforderlichen Toleranzen überhaupt einhalten zu können, wurden sowohl Säulen als auch Buchsen und Käfige nach der Bearbeitung individuell vermessen und entsprechend der im Messprotokoll verzeichneten Abmessungen miteinander verpaart. Zu den entscheidenden Aspekten gehörte, dass es selbst bei längerer Benutzung in ein und derselben Position nicht zum Eindrücken der Rollen kommen darf. Da für die Säule zudem wegen der extrem starken Magnetfelder statt des üblichen Werkzeugstahls ein niedrigmagnetischer hochlegierter Edelstahl gewählt werden musste, war vertieftes Werkstoffwissen gefragt.

Eine weitere Herausforderung ergab sich aus der Forderung des PSI, dass die Säulen demontierbar ausgelegt werden sollten. Dies war erforderlich, weil man sonst das Innenleben des Undulators einschliesslich der Magnetschienen nicht mehr für eventuell erforderliche Revisionen hätte ausbauen können. Mit dem bei derartigen Konstruktionen üblichen Sitz über eine Presspassung im Maschinenbett wäre eine Demontage nicht mehr möglich gewesen. Im Servicefall hätte man somit den ganzen Undulator verschrotten müssen.

Deshalb musste eine wesentlich aufwendigere Lösung gewählt werden. Im Maschinenbett wurde eine Buchse eingegossen. Diese weist im oberen Bereich eine konische Passung auf, in der ein entsprechend konisch zulaufender Bereich der Säule sitzt. Im unteren Bereich der Buchse werden die seitlichen Kräfte von einer vorgespannten Rollenführung aufgenommen.

Auch hierbei ist die präzise Feinstbearbeitung der entsprechenden Bereiche von Buchse, Käfig und Säule entscheidend für die Steifigkeit der Gesamtkonstruktion. Die Fixierung erfolgt durch Verschraubung von unten oder bei der oberen Säule von oben. Nach dem Lösen dieser Verschraubung lassen sich die Säulen mitsamt den Käfigen problemlos ziehen, während die Buchsen jeweils im Maschinenbett beziehungsweise in der Magnetanordnung fest verankert bleiben. Diese Konstruktion erfüllte alle Anforderungen des PSI, sodass Agathon nach erfolgreichen Tests an mehreren Prototypen die Ausrüstung für alle Undulatoren liefern konnte.

Heute ist die FEL-Anlage zur grossen Freude der PSI-Forscher erfolgreich in Betrieb. «Für uns hat es sich gelohnt, auf die Fähigkeiten von Schweizer Präzisionsmaschinenbauern zu setzen, anstatt uns auf die Risiken geografisch, kulturell und sprachlich weit verstreuter Entwicklungs- und Lieferketten einzulassen», bilanziert Pirmin Böhler. (msc)

Paul Scherrer Institut
5232 Villigen PSI, Tel. 056 310 21 11
info@psi.ch

Agathon AG
4512 Bellach, Tel. 032 617 45 00
normalien@agathon.ch, www.agathon.ch

Siams Halle 1.1 Stand D12



Schema des SwissFEL: Der Elektronenstrahl wird im Linearbeschleuniger extrem beschleunigt und im Undulator auf eine schlangenförmige Bahn gezwungen. Der entstehende Röntgenlaserblitz trifft auf die Probe des Experiments, wodurch ein Bild entsteht. (Graphiken: PSI)


Blick in das Innenleben eines der 13 rund 17 t schweren und 4000 mm langen Undulatoren, die vergleichbare Präzisionsanforderungen erfüllen wie Schweizer Uhrwerke. Die Magnete (Grün) befinden sich auf zwei schienenartigen Trägern in einem Vakuumrohr.


Für das PSI entwickelte Säulenführung: A) in der Magnetträgerschiene verankerte Buchse, B) oberer Rollenkäfig, C) im Maschinenbett eingegossene konische Buchse, D) konischer Sitz der Säule, E) unterer Rollenkäfig, F) lösbare Verschraubung. (Graphik: Agathon)