Mit Teilchenbeschleunigern, oder auch Synchrotron genannt, werden einige wegweisende Forschungsarbeiten in der Wissenschaft durchgeführt – dabei verlassen sich viele Einrichtungen zum Schutz ihrer Energieinfrastruktur auf die USV-Systeme von Piller.
Der größte und bekannteste Teilchenbeschleuniger der Welt ist der Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Kernforschungszentrum CERN, ein ringförmiger Teilchenbeschleuniger mit 27 km Umfang, der sich in etwa 100m Tiefe im Grenzgebiet der Schweiz und Frankreichs befindet.
LHC ist zwar der größte, aber nur einer von vielen Teilchenbeschleunigern, die weltweit in Betrieb sind. Allein am CERN gibt es vier Synchrotron-Beschleuniger.
Weltweit sind schätzungsweise 70 Synchrotron-Beschleuniger in Betrieb oder in der Entwicklung, die die so genannte „Lightsource Science“ betreiben.
Allen gemeinsam ist der Bedarf an unterbrechungsfreier, konditionierter und zuverlässiger Stromversorgung.
Das Synchrotron ist eine besondere Art von Beschleuniger und findet seine Anwendung in der Teilchenphysik.
Mit Synchrotron-Beschleunigern wird physikalische Grundlagenforschung in vielen Bereichen betrieben, von medizinischer Bildgebung für Krebsbehandlungen bis hin zu Materialwissenschaft, von Energie- und Strahlungswissenschaft bis hin zu Umweltkartierung.
Dank CERN sind die Beschleuniger für die Herstellung subatomarer Elemente zur Untersuchung der physikalischen Grundlagen der Materiestruktur bekannt.
Die Wissenschaft auf atomarer und subatomarer Ebene, die in den Forschungseinrichtungen für Teilchenbeschleuniger betrieben wird, ist wirklich bemerkenswert.
Wofür werden Teilchenbeschleuniger verwendet?
Die an den Instituten betriebene Forschung ist umfangreich sowie vielfältig und erfolgt oft im Einklang mit nationalen Prioritäten.
Die Umweltforschung an dem von der australischen ANSTO (Australia Nuclear Science and Technology Organisation) betriebenen Teilchenbeschleuniger umfasst zum Beispiel die nachhaltige Bewirtschaftung von Wasser.
Nukleare Instrumente liefern genaue Schätzungen über Lage und Qualität des Grundwassers. Diese sind für die australische Wirtschaft und die ökologische Nachhaltigkeit von entscheidender Bedeutung.
ANSTO sagt: „Spezialisierte Techniken finden unter anderem Anwendung in den Bereichen moderne Werkstoffe, Landwirtschaft, Biomedizin, Verteidigung, ökologische Nachhaltigkeit, Nahrung und Lebensmitteltechnologie, Forensik, Energiewirtschaft, Bergbau, Kulturerbe, Planetenforschung und Elektronik.“
In China erfasst die synchrotronbasierte Forschung Experimente in einem breiten wissenschaftlichen Spektrum. Dazu gehören Physik, Chemie, Biowissenschaften, Medizin, Mikroskopie und Messtechnik.
In Deutschland ermöglicht Synchrotronstrahlung den Forschern den Zugang zur Spektroskopie sowie zur Aufbereitung und Bestimmung von Energiematerial. Der Betreiber des Synchrotrons BESSY II an der Berliner Elektronenspeicherringgesellschaft für Synchrotronstrahlung bezeichnet eine sichere und nachhaltige Energieversorgung als „eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen“.
„Das HZB (Helmholtz-Zentrum Berlin) hat es sich zur Aufgabe gemacht, neue energieeffiziente Materialien zu entwickeln, zu erforschen und zu optimieren, darunter zum Beispiel Solarzellen, Materialien zur Erzeugung von solaren Brennstoffen mit Sonnenlicht sowie Elektroden für Batterien oder Werkstoffe für energieeffiziente Informationstechnologien von morgen. Für diese Forschung können wir auf modernste Infrastrukturen und Instrumente zurückgreifen, insbesondere auf den Elektronenspeicherring BESSY II, einen Teilchenbeschleuniger, der Synchrotronstrahlung in einem breiten Energiebereich liefert“, heißt es.
Die erzeugten Materialien werden mit Energieauflösung speziell in den Bereichen Röntgenabsorptionsspektroskopie und -mikroskopie, Photoemissionsspektroskopie, -elektronen und Proteinstrukturanalyse analysiert und eingesetzt.
In Spanien dient das Alba-Synchrotron nicht nur der Erweiterung wissenschaftlicher Erkenntnisse, sondern auch der Gesellschaft als Ganzem. Und in Schweden wird erforscht, wie menschliche Proteine und Enzyme die chemischen Reaktionen in menschlichen Zellen beeinflussen – ein wesentlicher Fortschritt bei der Entwicklung von Medikamenten zur Krebsbekämpfung.
Einzelheiten zu den verschiedenen Synchrotron-Beschleunigern in den einzelnen Nationen finden Sie weiter unten.
Funktionsweise von Synchrotron-Beschleunigern
Wie funktioniert ein Synchrotron-Beschleuniger und warum hängt die Fähigkeit, diese unglaubliche Wissenschaft zu betreiben, letztendlich von der Bereitstellung zuverlässigen Stroms ab?
Wie bereits erwähnt, ist der LHC der größte Synchrotron-Beschleuniger der Welt. Er kann Strahlen von Protonen auf eine Energie von 6,5 Teraelektronenvolt (TeV) beschleunigen. Ein Elektronenvolt ist eine gängige Maßeinheit in der Physik. Heute arbeiten viele Teilchenbeschleuniger im Bereich von Giga-Elektronenvolt (GeV).
Synchrotrone verwenden Elektronen, um intensive Lichtstrahlen zu erzeugen. Die Betreiber der Forschungseinrichtung in Clayton Australia beschreiben die von ihrem Synchrotron-Beschleuniger erzeugten Strahlen als „mehr als eine Million Mal heller als die Sonne“.
„Der Elektronenstrahl bewegt sich knapp unter der Lichtgeschwindigkeit – etwa 299.792 km pro Sekunde. Das intensive Licht, das Synchrotron-Beschleuniger erzeugen, wird gefiltert und so eingestellt, dass es in eine experimentelle Arbeitsstation gelangt, wo das Licht die innersten, submikroskopischen Details von Materialien enthüllt, von menschlichem Gewebe über Pflanzen bis hin zu Metallen und vieles mehr“, heißt es.
Alle Teilchenbeschleuniger nutzen ein elektrisches Feld, um Teilchen in einer Vakuumröhre mit Hilfe einer Hochfrequenzwelle zu beschleunigen. Die Stärke des elektrischen Feldes wird in MV/m – Megavolt pro Meter – gemessen.
Der Lichtstrahl wird erzeugt, wenn hochenergetische Elektronen durch das „synchrone“ Anlegen starker Magnetfelder gezwungen werden, sich in den Synchrotron-Tunneln auf einer Kreisbahn zu bewegen. In einem Kreisbeschleuniger bewegt sich der Teilchenstrahl in einer geschlossenen Schleife auf demselben Kreislauf und erhält bei jedem Umlauf einen Energieschub. Beschleuniger nutzen elektromagnetische Felder, um Teilchen zu beschleunigen und zu lenken. Hochfrequenzhohlräume erhöhen die Geschwindigkeit des Teilchenstrahls, während Magnete die Strahlen bündeln und ihre Bahn ablenken.
Gängige Synchrotron-Beschleunigerröhren in Forschungseinrichtungen haben eine Länge von bis zu einigen hundert Metern. Das Ziel besteht darin, eine große Anzahl reinster Strahlen zu erzeugen und diese auf die schnellstmögliche Geschwindigkeit zu beschleunigen. Im Normalbetrieb eines Synchrotrons wird für die Versorgung der Hochfrequenzhohlräume und des Magnetfelds eine elektrische Leistung im Megawatt-Bereich benötigt. An einigen Standorten beträgt der Stromverbrauch 10MW und mehr.
Energieversorgung von Teilchenbeschleunigern
Eine unterbrechungsfreie, konditionierte Stromversorgung, ohne Spannungseinbrüche und Spannungsstöße, ist für den Betrieb von Teilchenbeschleunigern unerlässlich.
Da die Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht werden, muss die Stromversorgung stabil bleiben. Wenn Beschleuniger in Betrieb sind, müssen sie vor Störungen der Netzspannung wie Überspannungen und Einbrüchen geschützt werden. Störungen in der Stromversorgung können sich direkt auf die Experimente auswirken und zu Verzögerungen und unnötigen Kosten führen.
Seit vielen Jahrzehnten findet die USV-Technologie von Piller in Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt, in nationalen Labors in Deutschland sowie in Australien, Indien, Italien und anderen Ländern Verwendung.
Mit der Leistungsfähigkeit der Beschleuniger wachsen die Anforderungen an eine höhere Leistung und eine größere Zuverlässigkeit im Multi-MW-Bereich. Die neueste USV-Serie UB-V von Piller erfüllt diese hohen Anforderungen.
Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Piller UNIBLOCK®-Systeme können die elektrisch gekoppelten USV der UB-V Serie Netzspannungseinbrüche von bis zu 50 % kompensieren, ohne den Energiespeicher zu nutzen. Die Fähigkeit, schwerwiegende Netzstörungen zu bewältigen, hebt die UB-V Reihe von herkömmlichen USV-Technologien ab.
Die elektrisch gekoppelte USV bietet viele Vorteile gegenüber herkömmlichen statischen USV-Anlagen in Bezug auf Leistungsbereich, Effizienz und Dauerbetrieb.
Die Einzelmodulleistungen der UB-V-Serie reichen von 1,0MW / 1,10MVA bis 3,24MW / 3,60MVA und bis zu 100MW / 115MVA im Parallelbetrieb. Sie bieten einen höheren Wirkungsgrad bei Halb- und Volllast. UB-V bietet einen Wirkungsgrad von bis zu 98 % bei 100 % Last und einen unschlagbaren Wert von 97 % bei 50 % Last.
Die UB-V Serie ist als Nieder- und Mittelspannungsversion erhältlich. Sie verfügt über eine große Eingangstoleranz und kann sowohl mit vor- als auch mit nachgeschalteten Netzersatzanlagen (NEA) konfiguriert werden. Sie ist wahlweise mit Li-Ion-Batterien oder kinetischem Energiespeicher erhältlich. Durch leistungsstarke Einzelmodule erübrigt sich eine Mehrfachparallelschaltung, was Platz spart, den Wartungsaufwand verringert und die Zuverlässigkeit erhöht.
Durch Fernüberwachung können die USV der UB-V Serie bis zu fünf Jahren ohne Unterbrechung betrieben werden, mit einem minimalen Wartungsaufwand und ohne Abschaltung der UB-V Anlage.
Die technologischen Fortschritte von Piller sichern die erforderliche Betriebszeit und Zuverlässigkeit der Stromversorgung, die für die weltweit führenden Forschungseinrichtungen unabdingbar sind.
Sie liefern die konditionierte, zuverlässige Energie für Experimente und wissenschaftliche Studien, die das unendlich Kleine erforschen, um unsere größten gesellschaftlichen Herausforderungen zu bewältigen und die großen Fragen der Menschheit über die Natur des Universums zu beantworten.
Liste einiger weltweit führender Teilchenbeschleuniger-Forschungseinrichtungen und der dort durchgeführten wichtigen Forschungsarbeiten nach Ländern
Land: Australia
Name der Einrichtung: The Australian Synchrotron, Clayton
In Betrieb seit: 1987
Betreiber: ANSTO, Australian Government Department of Industry, Science, Innovation and Resources:
Der Speicherring hat einen Umfang von 216 m. Das australische Synchrotron ist eine der wichtigsten Forschungseinrichtungen Australiens.
Forschung: Mehr als 5000 Forscher pro Jahr nutzen die Clayton-Synchrotron-Instrumente. Auf der Einrichtung basiert die Erstellung von mehr als 3000 Veröffentlichungen in Fachzeitschriften.
https://www.ansto.gov.au/research/facilities/australian-synchrotron/overview
Land: China
Name der Einrichtung: China National Synchroton Radiation Laboratory Hefei
In Betrieb seit: 1991
Betreiber: University of science and technology of China.
Das NSRL ist das erste staatliche Labor in China und befindet sich auf dem Westcampus der University of Science and Technology of China (USTC) in Hefei, Provinz Anhui. Es verfügt über die erste Synchrotronstrahlungseinrichtung in China, die Hefei Light Source (HLS).
https://www.nsrl.ustc.edu.cn/10968/list.htm
http://en.nsrl.ustc.edu.cn/2015/0109/c10888a117378/page.htm
Forschung: Der Hefei Light Source Linearbeschleuniger ist ein konventioneller Wanderwellen-Linearbeschleuniger. Die Elektronenquelle ist eine traditionelle Gleichstrom-Heißkathoden-Elektronenkanone.
Die von der chinesischen Regierung geförderte Forschung ermöglicht es, mit der in den Versuchsstationen erzeugten hochwertigen Strahlung wissenschaftliche Experimente auf nationaler Ebene auf einem breiten wissenschaftlichen Spektrum im Bereich der Physik, Chemie, Biowissenschaften, Medizin, Mikroskopie und Instrumentierung durchzuführen.
https://en.nsrl.ustc.edu.cn/2015/0109/c10890a117914/page.htm
Leistung: Elektronenenergie 800 MeV; Pulswiederholfrequenz 1Hz; beschleunigte Arbeitsfrequenz 2856 MHz
Land: Deutschland
Name der Einrichtung: Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung
In Betrieb seit: 1979
Betreiber: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Forschung: Das als BESSY II bekannte Synchrotron erzeugt Licht und unterstützt Wissenschaft und Industrie.
Es werden Elektronen auf eine Energie von maximal 1,7 GeV beschleunigt und in den Speicherring injiziert. Synchrotronstrahlung tritt aus den Dipolmagneten, die den Strahl auf einer Kreisbahn biegen, sowie aus Undulatoren und Wigglern aus. Die Gesamtleistungsaufnahme im Regelbetrieb beträgt 2,7 MW.
In sechs verschiedenen Labors wird hauptsächlich an Energiematerialien geforscht. Die Labore sind direkt mit der Synchrotronstrahlung verbunden, was den Forschern den Zugang zur Spektroskopie, Präparation und Charakterisierung des Energiematerials ermöglicht. Die hergestellten Materialien werden anschließend analysiert und energieaufgelöst speziell in den Bereichen Röntgenabsorptionsspektroskopie und -mikroskopie, Photoemissionsspektroskopie, Photoemissionselektronen- und Proteinstrukturanalyse eingesetzt.
Piller arbeitet eng mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin seit über zwei Jahrzehnten.
Die Containerlösung von Piller für BESSY II bestand aus drei Mittelspannungs-UNIBLOCK-Systemen mit dem kinetischen Energiespeicher POWERBRIDGE™ PB 16.5+ (UNIBLOCK 1670kVA, PB 16.5 20kV/50Hz). Die ersten Einheiten wurden 1999 installiert, der dritte UNIBLOCK mit POWERBRIDGE™ ist seit 2000/2001 in Betrieb. Das System wurde in einer N+1-Konfiguration installiert.
Land: Indien
Name der Einrichtung: CAT Indore
In Betrieb seit: 1984
Betreiber: Indische Regierung / Amt für Atomenergie
Forschung: Das Zentrum hat zwei Synchrotronstrahlungsquellen entworfen, entwickelt und in Betrieb genommen: Indus-1 und Indus-2, die als nationale Einrichtung dienen.
Indus-1 ist ein Elektronenspeicherring mit 450 MeV und 100 mA.
Indus-2 ist ein 2,5 GeV-Elektronenspeicherring, der für die Erzeugung von Röntgenstrahlen entwickelt wurde.
Mit einem Umfang von 172,5 m und einer Strahlenergie von 2,5 GeV ist Indus-2 derzeit der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger des Landes. Die Elektronenbeschleuniger werden zur Bewässerung von Nahrungsmitteln und für industrielle Anwendungen eingesetzt. Verschiedene Forschungs- und Entwicklungsprogramme werden durch eine Vielzahl wissenschaftlicher Technologien wie supraleitende Hochfrequenzen, Hohlräume, Kryomodule, Hochleistungs-Hochfrequenzgeneratoren, Kryotechnik, Präzisionsfertigung und Kontrollinstrumente durchgeführt.
https://www.rrcat.gov.in/organization/cat/aboutus.html
Land: Italien
Name der Einrichtung: Elettra Sincrotrone, Trieste
In Betrieb seit: 1987
Betreiber: Elettra – Sincrotrone Trieste S.C.p.A. ist eine gemeinnützige Aktiengesellschaft (Società Consortile per Azioni). Hauptaktionäre sind das Konsortium des Wissenschafts- und Technologieforschungsgebiets Triest (53,70%), die Autonome Region Friuli Venezia Giulia (37,63%).
Forschung: Die italienische Synchrotronstrahlungsanlage Elettra der dritten Generation dient seit 1993 der nationalen und internationalen Wissenschaft und Industrie. Die größte Herausforderung der Synchrotronlichtquellen der dritten Generation besteht darin, die Strahlenlebensdauer zu erhöhen. Die Forschung befasst sich mit der ultraschnellen Reaktionsfähigkeit von Elektronen mit topologischen Isolatoren, Supraleitern und Metall- bzw. organischen Grenzflächen, die jeweils für Spintronik und Energiegewinnung verwendet werden können.
https://www.elettra.trieste.it/lightsources/labs-and-services/citius/citius.html
Leistung: Elettra ist der Speicherring der dritten Generation (2 und 2,4 GeV).
https://www.elettra.trieste.it/lightsources/elettra/odac/super-3hc.html
https://www.elettra.trieste.it/technology/energy.html
Land: Spanien
Name der Einrichtung: Alba Synchroton
In Betrieb seit: 1990
Betreiber: Spanische und katalanische Regierungen sowie CELLS – Konsortium für den Bau, die Ausrüstung und die Nutzung der Synchrotron-Lichtquelle.
Operations: Der ALBA-Booster ist ein Synchrotron, das die vom Linac gelieferten Elektronen von einer Energie von 100 MeV auf 3 GeV beschleunigt. Beim Energierampen werden die Magnetfelder an die entsprechende Energie der Elektronen angepasst. Bei 3 GeV wird der Elektronenstrahl extrahiert, um zum Speicherring geschickt zu werden, und die Magnetfelder werden auf ihre Anfangswerte zurückgesetzt. Dieser Zyklus wird dreimal pro Sekunde wiederholt.
https://www.cells.es/en/accelerators/booster-ring
Energieleistung: mit einem 110 MeV-Linearbeschleuniger erzeugt die ALBA-Anlage eine intensive Synchrotronstrahlung mit einem 3 GeV-Elektronenbeschleuniger. Bei ALBA werden Elektronen zunächst in einem 110 MeV Linearbeschleuniger beschleunigt und dann in einen Boosterring injiziert, der die Energie auf bis zu 3 GeV erhöht.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0969806X19308783
Forschung: Modernste Synchrotronlicht-basierte Forschung und Entwicklung liefert wertvolle Daten für wissenschaftliche und industrielle Einrichtungen.
Die Entwicklung von Beschleunigertechnologie und wissenschaftlichen Geräten ist ein wesentlicher Teil der Forschung der Einrichtung in den Bereichen Magnettechnik, Elektronik und Software.
https://www.cells.es/en/about/mission
Land: Schweden
Name der Einrichtung: Sweden: MAX Lab IV, Lund
In Betrieb seit: 1986
Betreiber: Schwedische Regierung und schwedisches nationales Labor
Die MAX IV-Anlage besteht aus einem 3-GeV- und einem 1,5-GeV-Speicherring sowie einem Linearbeschleuniger (gespeist von zwei Kanonen), der als Vollenergie-Injektor für die Ringe, aber auch als Antrieb für die Kurzpulsanlage dient. Der 3 GeV Speicherring mit einem Umfang von 528 m richtet sich an Anwender des harten Röntgens, während der 1,5 GeV Speicherring mit 96 m Umfang für Anwender von weicher Röntgen- und UV-Strahlung geeignet ist.
https://www.maxiv.lu.se/accelerators-beamlines/accelerators/
Forschung: Medizinische Forschung in der Zellanatomie, basierend auf der Beobachtung, wie sich Moleküle aneinanderbinden. Der Einfluss der chemischen Reaktionen von Proteinen und Enzymen in menschlichen Zellen ist Teil der Fortschritte bei der Entwicklung von Medikamenten zur Krebsbekämpfung.
https://www.maxiv.lu.se/news/the-researchers-who-look-into-the-tiniest-part-of-a-cell/
Land: USA
Name der Einrichtung: Los Alamos National Laboratories
In Betrieb seit: 1943
Betreiber: Department of Energy, the National Nuclear Security Administration, Office of Science and Office of Nuclear Energy, Science and Technology.
Forschung: Los Alamos und Livermore dienten als wichtigste geheime Labors im nationalen Laborsystem der USA und waren für die Errichtung des Atomwaffenarsenals des Landes zuständig. Weitere Aufgaben sind die wissenschaftliche Grundlagenforschung, die Entwicklung von Teilchenbeschleunigern, die Gesundheitsphysik und die Forschung der Fusionsenergie im Rahmen des Projekts Sherwood. Die Integrationsforschung in Los Alamos konzentriert sich auf die Entwicklung von Lösungen, „die eine maximale Wirkung auf die strategischen Prioritäten der nationalen Sicherheit haben“.
https://www.lanl.gov/mission/index.php
https://en.wikipedia.org/wiki/Los_Alamos_National_Laboratory
