V222_2024 - BE-IAS - Wellenlängenschieber

Helmholtz Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) ***

Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) ist ein unabhängiges wissenschaftliches Forschungszentrum unter dem Dach der Helmholtz-Gemeinschaft mit Standorten in Berlin-Adlershof und Wannsee. Der Elektronenspeicherring BESSY II liefert hochbrillante Synchrotronstrahlung vom Terahertz- bis zum Röntgenbereich. Mit seinem Fokus auf VUV- und weiche Röntgenstrahlung eignet sich BESSY II ideal für die Analyse von Energiematerialien und Dünnschichtsystemen. Die Weiterentwicklung der Instrumente und die Entwicklung eines Konzepts für eine Nachfolgequelle (BESSY III) gehören zu den wichtigsten Aufgaben der kommenden Jahre. An unserem Elektronenspeicherring BESSY II verzeichnen wir durchschnittlich 2700 Besuche von Gastwissenschaftlern aus 28 Ländern pro Jahr. Jährlich erscheinen 500 bis 600 Publikationen in wissenschaftlichen Zeitschriften, die auf Messungen an BESSY II und bis Ende 2019 auch auf Messungen an BER II basieren.

Das Upgrade-Programm „Bessy II+“ ***

Dieses Programm ermöglicht die Fortsetzung der Spitzenforschung an BESSY II und die Erprobung neuer Konzepte mit Blick auf die Nachfolgequelle BESSY III. BESSY soll zu einem „Operando-Synchrotron für die Energiewende“ werden. BESSY II+ bietet neue experimentelle Möglichkeiten, insbesondere für Operando-Untersuchungen. Diese ermöglichen beispielsweise den Betrieb von Batterien oder Solarzellen. Neben den neuen Operando-Möglichkeiten konzentriert sich das Projekt BESSY II+ auch auf die beiden Themen Modernisierung und Nachhaltigkeit. Nachhaltigkeit umfasst die Nutzung der Abwärme aus der Experimentierhalle von BESSY II. Maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz werden zudem zunehmend in viele Prozesse integriert. Im Rahmen des Modernisierungsprojekts hat das HZB zusätzliche Mittel vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) erhalten. „Invest BESSY II+“ umfasst die wichtigsten Investitionen für das vom BMBF geförderte Projekt. Diese Finanzierung sichert die Entwicklung neuer Infrastrukturen, wie beispielsweise des SoTeXS-Instruments (Soft-to-Tender X-ray Spectroscopy). Es handelt sich dabei um ein umfassendes Konzept für metrologische, multimodale Experimente, das für die Batterieforschung und die Erforschung von Batterien und Materialien für Energieanwendungen eingesetzt werden kann.

1. Ein Arbeitspaket von BESSY II+ ist der Austausch zweier Wellenlängenschieber. Diese sind Gegenstand dieses Vergabeverfahrens.

2. Allgemeiner Hinweis: Die Kurzbeschreibung beschreibt das Projekt so detailliert, dass potenzielle Lieferanten sich für die Ausschreibung bewerben oder ein Angebot erstellen können. Nicht alle Parameter sind derzeit präzise definiert. In einigen Details wird die Situation vereinfacht und allgemein dargestellt. Darüber hinaus bedürfen einige Parameter noch grundlegender Untersuchungen. Diese sind rot markiert.

2.1. Ausgangssituation: Das HZB betreibt supraleitende Magnete zur Erzeugung harter Röntgenstrahlung – sogenannte Wellenlängenschieber (WLS) – an den Strahlführungen BAM und PFS. Diese wurden als schlüsselfertige Anlagen vom Budker-Institut in Nowosibirsk, Russland, gefertigt. Der Betrieb von BESSY II mit den beiden Strahlführungen soll mindestens bis 2035 sichergestellt sein. Die Nutzer BAM und PTB sind strategische Partner. Technisch gesehen verfügt der WLS über einen Hauptpol mit 7 T und zwei Seitenpole mit je 1,5 T. Diese drei Pole befinden sich im Kryostaten. Um den Lichtfleck in die zentrale Umlaufbahn zu lenken, befinden sich vor und nach dem Kryostaten zwei zusätzliche, warme Korrekturmagnete. Abbildung 1 zeigt die Ausgangssituation. Es wurden Anpassungen am Betrieb vorgenommen, diese sind jedoch derzeit nicht relevant.

2.2. Aufgabe: Das HZB möchte für einen möglichen Ausfall der supraleitenden Wellenlängenschieber (WLS) an den Strahlführungen BAM und PFS gerüstet sein. Daher müssen zwei WLS beschafft und getestet werden. Sie werden anschließend für den Einbau bereitgehalten, um die Funktion der vorhandenen WLS zu replizieren.

3. Anforderungen: Die Anforderungen an die Ersatzgeräte ergeben sich im Wesentlichen aus den Eigenschaften der vorhandenen Geräte. Es gibt jedoch einige Ausnahmen (siehe Tabelle 1): • Die erste Ausnahme betrifft die vertikale Apertur. Aufgrund des in den letzten Jahren verbesserten Verständnisses der Strahlimpedanz kann diese Anzahl drastisch reduziert werden. • Die zweite Ausnahme betrifft die warmen Korrekturmagnete. Einerseits sind diese Korrekturmagnete räumlich getrennt und verfügen über separate Stromversorgungen. Andererseits sind diese Korrekturmagnete eng mit den WLS-Magneten verbunden. Die Feldintegrale aller Magnete müssen gemeinsam betrachtet und alle gemeinsam angesteuert werden. Prinzipiell könnten diese Korrekturmagnete also unverändert bleiben, ebenfalls ersetzt oder in den Kryostaten integriert werden.

Aus heutiger Sicht lässt sich noch nicht vorhersagen, welche Lösung die beste sein wird und wie der Lieferumfang des Herstellers letztendlich aussehen wird. Wichtig ist jedoch, dass die aufgeführten Feldintegrale für alle fünf Pole zusammen gelten und die angegebene Kryostatlänge keine Korrekturmagnete beinhaltet. Die Position des Lichtquellenpunkts darf in keinem Fall verändert werden.

Der WLS wird im Wesentlichen rund um die Uhr im Volllastbetrieb laufen. Die Hoch- und Herunterfahrvorgänge erfolgen mehrmals jährlich zur Inbetriebnahme anderer Teile des Speicherrings. Angestrebt wird eine Betriebsdauer von 10 Jahren mit jährlicher Wartung. ***