Fachbeitrag: Vakuumlösungen in der European XFEL

Blick in den European XFEL-Beschleunigertunnel (© European XFEL / Heiner Müller-Elsner)

Anfang September 2017 wurde ein Meilenstein in der Geschichte der nanotechnologischen Forschung erreicht: Mit der Einweihung des European XFEL (X-Ray Free-Electron Laser) wurde der weltweit größte und stärkste Röntgenlaser offiziell in Betrieb genommen.

Die Anlage wird völlig neue Forschungsfelder erschließen und bislang unerreichte Einblicke in den Nanokosmos bieten. Diese Anlage ist mit Vakuumlösungen von Pfeiffer Vacuum ausgestattet – hier die Hintegründe:

Der European XFEL ist eine neue internationale Forschungseinrichtung, an der 12  europäische Länder beteiligt sind. Mit Bau und Betrieb des Röntgenlasers ist eine  gemeinnützige Gesellschaft, die European XFEL GmbH, beauftragt. Hauptgesellschafter ist DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), ein weltweit führendes Zentrum zur Erforschung von Materie und langjähriger Partner von Pfeiffer Vacuum. Die Anlage reicht vom DESY-Campus in Hamburg bis in die schleswig-holsteinische Stadt Schenefeld (Kreis Pinneberg).

Die interdisziplinäre Forschung am European XFEL wird für viele wissenschaftliche Bereiche wertvolle Erkenntnisse liefern. Die Erfahrung zeigt, dass sich aus dieser Form von Grundlagenforschung wichtige Anwendungen ergeben. Von der neuen Anlage werden zahlreiche wissenschaftliche Bereiche profitieren – unter anderem die Medizin, Pharmazie, Chemie, Physik, Materialwissenschaft, Nanotechnologie, Energietechnik und Elektronik.

Mit den einzigartigen Röntgenblitzen des European XFEL können Wissenschaftler beispielsweise atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, dreidimensionale Aufnahmen aus dem Nanokosmos machen, chemische Reaktionen filmen und Vorgänge wie die im Inneren von Planeten untersuchen.

Um die Röntgenblitze zu erzeugen, werden Elektronen zunächst in Paketen auf hohe Energien gebracht und durch spezielle Magnetanordnungen (Undulatoren) gelenkt. Undulatoren sind Strecken mit alternierend angeordneten Permanent-Magneten. Diese zwingen die beschleunigten Elektronen auf einen engen Slalomkurs. Bei jeder Richtungsänderung emittieren die Elektronen Röntgenlicht. Die Wechselwirkung der Röntgenstrahlen mit den Elektronen und die Anordnung der Magneten im Undulator lassen Licht mit laserartigen Eigenschaften entstehen, bei dem die Wellen in Phase schwingen. Das bedeutet, dass der European XFEL Röntgenstrahlen mit den Eigenschaften von Laserlicht produziert.

HiPace Turbopumpen im European XFEL

Alle diese Prozesse benötigen Ultrahoch (UHV)- oder Hochvakuum (HV)-Bedingungen. In jahrelanger Zusammenarbeit wurden bei Pfeiffer Vacuum passgenaue Vakuumlösungen für die Hochvakuumanwendungen des European XFEL entwickelt. Alle Lösungen wurden individuell auf die spezifischen Bedürfnisse und Anforderungen dieser Anwendungen abgestimmt.

Beim HED-Instrument des European XFEL werden mehrere Turbopumpen von Pfeiffer Vacuum genutzt, um den Druck von Ultrahochvakuum auf Hochvakuum zu erhöhen. Hierzu können Ionengetterpumpen nicht eingesetzt werden. Der gesamte Strahlweg ist fensterlos. Deswegen muss die Differentialpumpstufe nicht nur mit unterschiedlichsten Vakuumniveaus zurechtkommen, sondern auch noch plötzlichen oder unerwarteten Gaszustrom bewältigen. Ferner müssen die Turbopumpen als Bindeglied das Ultrahochvakuum auf der Seite zu den Ionengetterpumpen aufrechterhalten, damit die Schutzventile der Maschine nicht auslösen und dadurch den Strahl unterbrechen.

Auch die Entwicklung und Herstellung des maßgefertigten Flansches für die große Interaktionskammer erfolgte bei Pfeiffer Vacuum. Das Kammervolumen beträgt ca. 7 m³. Die Lösung von Pfeiffer Vacuum ist speziell auf die Bedürfnisse der Anwendung zugeschnitten.

Interaktionskammer am European XFEL, ausgerüstet mit Lösungen von Pfeiffer Vacuum (© European XFEL)

Durch den Einsatz von sechs 800-Liter-Pumpen auf zwei speziell gestalteten Verteilerflanschen wurden aufgrund der hohen Kompression der 800-Liter-Pumpen die Anforderungen des Kunden übertroffen. Dadurch kann das Saugvermögen jetzt auf die Nutzeranforderungen abgestimmt werden – je nach Art des Experiments mit höherem oder geringerem Saugvermögen. Überdies wurde die Benutzersicherheit gewährleistet und die Ausfallzeit  minimiert.

Die Vakuumexperten von Pfeiffer Vacuum empfahlen auch, eine größere Anzahl kleiner Pumpen zu verwenden. Denn das Versagen einer großen Pumpe ist nicht nur potenziell gefähr lich, sondern würde auch den Strahl bis zum Einbau einer Ersatzpumpe außer Betrieb setzen. Jetzt ist es möglich, die Pumpe einfach auszutauschen oder einen Blindflansch zu montieren und mit dem normalen Betrieb fortzufahren, bis die passende Zeit für den Austausch der Pumpe gefunden ist.

Bei weiteren Hochvakuumanwendungen am European XFEL sind die Turbopumpen HiPace 80, 300 und 800 sowie die zugehörige Elektronik und außerdem Messgeräte ebenso wie Flansche, Schaugläser und Standardteile im Einsatz. Pfeiffer Vacuum hat zudem passgenaue Teile und Instrumente für das HED-Instrument konzipiert und hergestellt. HiPace Turbopumpen können einfach in das XFEL-Steuerungssystem integriert werden. Pfeiffer Vacuum hat die Pumpen entsprechend der European XFEL-Standards so modifiziert, dass die Möglichkeit geschaffen wurde, deionisiertes Wasser zur Kühlung zu verwenden.

Sondervakuumkomponenten wie Flansche und Rohrbauteile wurden eigens für die Elektronen-Beamlines im European XFEL konzipiert. Außerdem wurden die eingesetzten Turbopumpen und Massenspektrometer in enger Zusammenarbeit mit dem Betreiber an die spezifischen Herausforderungen angepasst. Darüber hinaus lieferte Pfeiffer Spezialausführungen von Lecksuchern.

www.pfeiffer-vacuum.com

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