So hell wie Millionen Sonnen
Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen
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Die HAUPTBESTANDTEILE des neuen Synchrotrons aus Kanada bilden Vakuumkammern aus Edelstahl Rostfrei wie
diese. In den Vakuumkammern werden die Elektronen erzeugt und eingelagert, bevor sie in einen
Linearbeschleuniger gelangen.
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SOLCHE BILDER werden die Wissenschaftler sehen können, wenn das Synchrotron voll funktionsfähig ist. Die
Abbildung zeigt eine lebende Algenzelle.
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DER ELEKTRONENSTRAHL gelangt in einen Ringbeschleuniger aus S30403 mit einem Umfang von 100 Metern.
Dieser Ring mit elliptischem Querschnitt ist 82,8 mm breit, 32 mm hoch und hat eine Wandstärke von 1,6
mm.
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Das Diagramm zeigt, WIE DAS SYNCHROTON ARBEITET. Klicken Sie zur Vergrößerung auf das unten stehende
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Edelstahl Rostfrei verhilft zum perfekten Vakuum.
Von Carroll McCormick
Nickel Magazine, März 2005 -- Mikroskope brauchen Licht und eine der kräftigsten Lichtquellen
der Welt wurde jüngst in Betrieb genommen.
An der Universität von Saskatchewan in Kanada erzeugt ein sogenanntes Synchroton Elektronen, die millionenmal heller leuchten als unsere Sonne. Wissenschaftler nutzen dieses Licht für unterschiedliche Arten von Design und Herstellung.
Das Synchrotron ist kein gewöhnliches Labormikroskop. Es ist ein komplexes System aus ultrahohen Vakuumkammern, das auf einer Fläche von 6800 m² steht und in der 12700 m² großen Canadian Light Source-Anlage (CLS) auf dem Universitätsgelände untergebracht ist.
Edelstahl Rostfrei vom Typ S30400, S30403 und S31603 wurde besonders in der Herstellung der Vakuumkammern und in Spezialanwendungen wie den K93600-Auflager verwendet, die dimensionale Stabilität in einigen der optischen Systeme bieten.
Die Notwendigkeit, ein Vakuum von 10 -11 Torr (ein Millionstel eines Millionstels des atmospherischen Drucks auf Meersspiegelhöhe) zu schaffen und beizubehalten ist sowohl eine Herausforderung als auch entscheidend für die Wahl der Werkstoffe. Die CLS-Anlage ist seit Oktober 2004 in Betrieb. Doch wird es ein ganzes Jahr dauern, bis ein Ultrahochvakuum erreicht worden ist.
Um ein Vakuum zu schaffen, müssen so viele Moleküle wie möglich entfernt werden. Unreinheiten verlangsamen nicht nur den Elektronenstrahl sondern lenken die Elektronen ab, so wie Nebel das Licht eines Autoscheinwerfers bricht. Einige Synchrotrone bestehen aus Kupfer bzw. Aluminium, doch ist Edelstahl Rostfrei herstellungstechnisch besser geeignet, meint Mark de Jong, CLS-Produktionsleiter.
Die Einzelteile einer Vakuumkammer müssen in großen Öfen bis zu 40 Minuten bei Temperaturen von bis zu 250 ºC gebrannt werden. Aluminium verliert bei 150 ºC seine Festigkeit, nicht aber Edelstahl Rostfrei. Dies ist eine entscheidende Eigenschaft, berücksichtigt man, dass die Einzelteile unter Vakuum gebrannt werden. „Edelstahl Rostfrei behält seine Festigkeit unter dem Druck unseres Brennvorgangs", bestätigt Mark de Jong.
Beim Brennen entweichen Gase, die bei der Herstellung des Stahls aufgenommen wurden, wie etwa Wasserdampf, Argon, Sauerstoff, Helium, Stickstoff, Wasserstoff and Kohlenmonoxid. Die Metallteile werden zudem auch beim Entfettungsprozess gewaschen. „Wir wollen vermeiden, dass sich Kohlenwasserstoffe im Inneren halten. Unbedingt zu vermeiden ist schwefelhaltige Kühlflüssigkeit , die so gut wie nicht mehr zu entfernen ist."
Die Firma Johnsen Ultravac aus dem kanadischen Ontario stellt einige ihrer Vakuumkammern aus S30400 her. Im Vergleich zu anderen Metallen ist S30400 preiswert. Ferner lässt es sich leicht maschinell verarbeiten und schweißen und ist ausreichend hart, um Dichtungsringe aus Kupfer anzuprägen. Da die vielen Armaturen, Flansche, Ionenpumpen und Ventile des Synchrotrons immer aus Edelstahl Rostfrei gefertigt sind, vereinfacht es die Konstruktion, wenn sie mit gleichem Metall zusammengeführt werden.
Wie das Synchroton arbeitet
Die CLS-Anlage erzeugt Licht mit Wellenlängen von Infrarot bis Röntgenstrahlen. Ein Wissenschaftler braucht vielleicht Licht mit der passenden Wellenlänge zum Beleuchten von Proben in einer Größenordnung von 100 Nanometern. Ein anderer wiederum benötigt Licht zur chemischen Bestimmung von Umweltproben mit einer Größe von 2 µm x 2 µm. Und ein dritter setzt Röntgenstrahllithographie zum Ätzen von Leiterplatten oder zum Schneiden von Zahnradverzahnungen mit Teilungen im µm-Bereich ein.
Die Elektronen werden in einer Reihe von Vakuumkammern erzeugt und eingelagert. In der ersten Kammer erzeugt eine Elektronenkanone (ein riesiger Kondensator) die Elektronen und schickt diese in einen Linearbeschleuniger. Hier werden sie auf 250 Millionen Elektronenvolt und bis zu 99,9% Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.
Der Elektronenstrahl gelangt danach in einen Ringbeschleuniger aus S30403 mit einem Umfang von 100 Metern. Dieser Ring mit elliptischem Querschnitt ist 82,8 mm breit , 32 mm hoch und hat eine Wandstärke von 1,6 mm. Der Ring entsteht, indem vorsichtig ein Rohr mit einem Durchmesser von 60,3 mm so lange gerollt wird, bis die richtige Form erreicht ist. Starke Radiowellen bringen die Energie des Elektronenstrahls im Ringbeschleuniger auf 2,9 Milliarden Elektrovolt und beschleunigen ihn auf 99,99999% der Lichtgeschwindigkeit.
Der Elektronenstrahl wird danach in einenSpeicherring von 171 Metern Umfang geleitet. Dieser Ring mit ebenfalls elliptischem Querschnitt ist nur 100 mm breit, 30 mm hoch und hat eine Wandstärke von 3 mm. Er ist aus S31603 Stahlblech geformt, gebogen und mit einer Längsnaht WIG-geschweißt.
Entlang des Ringbeschleunigers und Speicherrings sind alle paar Meter Fokussierungsmagnete angebracht, die den Elektronenstrahl ausrichten und in der Ringmitte halten. Vakuumpumpen (28 am Ringbeschleuniger und 70 am Speicherrring) entfernen ständig unerwünschte Moleküle aus den Ringen. Jede Pumpe hat einen am Ring befestigten Zylinder aus S30400 mit 2 - 3 mm Wandstärke.
Zwei 500 Meter lange Edelstahlrohre, eines mit 20,32 cm, das andere mit 7,62 cm Durchmesser befördern über Pumpzylinder aus Edelstahl Rostfrei entionisiertes Wasser zur Kühlung der Elektromagneten und der Kupferblöcke, die die Röntgenstrahlen absorbieren. Man entschied sich für S31600 und S31603, da das korrodierende entionisierte Wasser Kohlenstoffstahl auflöst.
Wenn die vorgegebene Vakuumsreinheit erlangt ist, kann der Elektronenstrahl 8 bis 10 Stunden in dem Speicherring kreisen, bevor eine neue Ladung von Elektronen erzeugt werden muss.
Zu guter Letzt werden die vom Elektronenstrahl freigesetzten Photonen eingefangen. Diese entfliehen dem Strahl tangential durch Öffnungen im Speicherring und gelangen in gerade Rohre, sogenannte „Strahllinien", von denen die CLS-Anlage 8 besitzt und maximal 30 Platz haben. Jede Strahllinie verfügt über Vakuumkammern, die bestimmte Lichtwellen aufnehmen und zu ihrer letzten Reise an Forschungsstationen schicken.
Die CLS-Anlage wird weltweit tausende von Wissenschaftlern zu hunderten von Anwendungen anlocken: von der Arbeitsweise der Proteine über die Synchrotron-Tomographie von Tumoren in der Medizin, bis hin zur geochemischen Forschung.
Carroll McCormick ist ein in Montreal ansässiger freier Mitarbeiter.
FOTOS: Canadian Light Source Inc.
 Mark De Jong |
