Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Prvotřídní zdroje pro prvotřídní výzkumné zařízení

V německém Hamburku se v současnosti buduje jedno z nejmodernějších výzkumných středisek v oboru rentgenového záření: XFEL (X-Ray Free Electron Laser). Po plánovaném dokončení stavby v roce 2016 bude zdroj XFEL v tunelu dlouhém 3,4 km emitovat rentgenové paprsky s velmi krátkou vlnovou délkou (podrobněji viz text v rámečku). Tento projekt přinese nové možnosti výzkumu fyzikům z celého světa. Společnost Murrelektronik si pokládá za čest přispět k realizaci tohoto velkolepého zařízení, a to instalací spínaných zdrojů Emparro a modulů MB Redundancy Balance.

Pracovní skupina X-Ray Optics & Beam Transport je v evropském středisku XFEL (obr. 1) zodpovědná za přenos rentgenového záření z undulátoru (struktura periodicky se střídajících magnetů, která se vy­užívá k vybuzení synchrotronního záření prolétávajícího svazku nabitých částic) k zařízením, kde budou probíhat jednotlivé experimenty. Nejprve je třeba oddělit paprsek rentgenového laserového záření volných elektronů od jeho vysoce energetického radiačního pozadí, dát mu vhodný průměr a pro některé experimenty ještě omezit jeho vlnovou délku monochromátory. Tyto činnosti probíhají v sekci dlouhé 900 m, kde paprsky procházejí evakuovanými trubkami. Uvnitř těchto trubek je nutné zachovat tlak do 10–4 Pa. Vakuové ventily, posuvníky, motory pro natočení zrcadel, distribuce chladicího média a stlačeného vzduchu a další součásti jsou ovládány řídicím systémem.

Spínané zdroje Murrelektronik Emparro (obr. 2) jsou použity pro 24V okruhy napájející řídicí systémy a přidružené komponenty umístěné v rozváděčích podél trubek s vakuem. „Pro to existuje velmi racio­nální důvod,“ vysvětluje Timo Korsch, fyzikální inženýr z XFEL. „Rozváděče v tunelu jsou vysoké pouze 1,2 m, a tudíž vyžadují co možná nejsnadnější zapojování. Díky zdrojům Emparro je to možné: vodiče jsou k nim připojeny pružinovými svorkami.“ Svorkovnice zdrojů jsou vybaveny svorkami push-in, takže vodiče je možné připojit z čelní strany, a to bez použití nástrojů. Taková spojení jsou spolehlivá a nevyžadují dotahování jako obyčejné šroubové svorky.

Díky 95% účinnosti mají zdroje Emparro minimální výkonové ztráty, a proto produkují jen málo tepla (obr. 3). „Méně uvolněného tepla znamená méně energie vynaložené na chlazení rozváděče, což snižuje spotřebu a výdaje,“ vysvětluje Timo Korsch.

V budoucnu budou rentgenový laser XFEL pro své výzkumy využívat vědci z celého světa, a proto je velmi důležité, aby zařízení bylo schopno pracovat bez přerušení a poskytnout maximum času výzkumu a experimentům. Vstup do tunelů je během provozu řídicím systémem blokován, takže rozváděče jsou přístupné pouze po dobu plánovaných údržeb.

Proto jsou napájecí systémy vybaveny redundantně zapojenými zdroji: napájecí jednotky pracují vždy v páru a každá z nich je zásobována elektřinou z jiné fáze. Výstupní části každého páru těchto zdrojů jsou od sebe odděleny jedním modulem MB Redundancy Balance, který zajišťuje rovnoměrné rozložení zátěže (obr. 4). Díky tomu významně narůstá životnost a spolehlivost zdrojů. Jestliže jeden ze zdrojů selže, provoz zařízení pokračuje bez přerušení až do naplánované údržby.

Jak spínané zdroje Emparro, tak moduly MB Redundancy Balance jsou vybaveny signálními výstupy, což přispívá k bezproblémové údržbě celého komplexu. „Umožňuje nám to využít výhody diagnostiky na dálku,“ říká Timo Korsch. V případě poklesu napětí tak může být tato informace zobrazena přímo, např. na výstražném panelu.

(Murrelektronik CZ spol. s r. o.)

Obr. 1. Pracoviště XFEL

Obr. 2. Záložní zdroje Emparro

Obr. 3. V důsledku velké účinnosti vyzařuje zdroj Emparro méně ztrátového tepla než běžné zdroje

Obr. 4. Modul MB Redundancy Balance zajišťuje rovnoměrné rozložení zátěže na oba zdroje


XFEL

Zcela nově budovaný zdroj rentgenového záření XFEL v Hamburku bývá označován jako zdroj synchrotronního záření čtvrté generace. Pracuje na principu rentgenového laseru volných elektronů. Klubko relativistických elektronů při průchodu dlouhým systémem undulátorů (1 714 m) reaguje s vlastním elektromagnetickým polem vznikajícím spontánní emisí. Elektrony v klubku jsou buď urychlovány, nebo zpomalovány v závislosti na fázi elektromagnetického pole. Z původního klubka tak vznikají mikroklubka, která potom vyzařují téměř ve fázi, což vede k exponenciálnímu růstu jasu ve srovnání s jediným klubkem procházejícím undulátorem.

Parametry navrhovaného zařízení: vlnová délka 1 až 5 Ĺ, špičkový výkon 37 MW, průměrný výkon 210 W, doba trvání pulzu 100 fs, opakovací frekvence 5 Hz, maximální jas 8,7∙1033 phot∙s–1∙mrad–2∙mm–2 při ΔE/E = 10–3, průměrný jas 4,9∙1025 phot∙s–1∙mrad–2∙mm–2 při ΔE/E = 10–3.

(Zdroj: Matematicko-fyzikální fakulta UK)

Emparro – základní údaje:

  • účinnost: až 95 %,
  • funkce Power Boost: navýšení výkonu o 50 % po dobu 4 s,
  • kovové pouzdro s optimálními charakteristikami z hlediska EMC,
  • rozsah pracovních teplot: –25 až +60 °C bez úbytku výkonu,
  • velmi malá šířka zástavby,
  • dlouhá překlenovací doba při výpadcích sítě.