Face­lift für Teil­chen­be­schleu­niger

---

Die Dros­seln von MANGOLDT, Mitglied der Rein­hausen Gruppe, sorgen auf der ganzen Welt für höchste Sicher­heit und Effi­zienz in elek­tri­schen Netzen. Doch der Auftrag für das CERN (Labo­ra­toire euro­péen pour la physique des parti­cules) bei Genf war für das Aachener Unter­nehmen ein ganz Beson­deres. Die 1954 gegrün­dete euro­päi­sche Forschungs­or­ga­ni­sa­tion ermög­licht Teil­chen­phy­si­kern, mit den leis­tungs­stärksten Teil­chen­be­schleu­ni­gern der Welt inter­na­tio­nale Spit­zen­for­schung zu betreiben.

Auf dem rund 600 Hektar großen Forschungs­ge­lände befindet sich ein gigan­ti­scher Komplex aus Teil­chen­be­schleu­ni­gern, die über ein kilo­me­ter­langes Tunnel­system mitein­ander verbunden sind. Zudem gibt es verschie­dene Expe­ri­men­tier­be­reiche wie die North Area. Diese wird seit den 70er-Jahren als Teil des Super Proton Synchro­tron (SPS) für physi­ka­li­sche Expe­ri­mente genutzt. Da die Anlage in die Jahre gekommen ist, wird sie seit 2021 reno­viert. Ivan Josi­fovic leitet das Projekt bei CERN: „Die North Area wird in den nächsten Jahren ein Face­lift erhalten, um danach wieder die offenen Fragen in der Teil­chen­physik beant­worten zu können.“

Perfekt umge­wan­delt

Eine entschei­dende Kompo­nente sind dabei die vom CERN entwi­ckelten POLARIS Power Converter. Ihre Funk­tion ist es, das Magnet­feld der Teil­chen­be­schleu­niger präzise zu steuern, um Elek­tronen und Protonen auf nahezu Licht­ge­schwin­dig­keit zu beschleu­nigen. Dazu wandeln sie den Wech­sel­strom des Strom­netzes in Gleich­strom um und geben ihn an die Elek­tro­ma­gnete des Teil­chen­be­schleu­ni­gers weiter. Bei der Umwand­lung wird der Strom jedoch verzerrt.

Ivan Josi­fovic erklärt es so: „Würde man Gleich­strom grafisch darstellen, wäre es eine gerade Linie. Die schlägt durch das Umwan­deln an einigen Stellen aus. Doch das ist verhee­rend für nach­ge­schal­tete Anwen­dungen, da diese über­hitzen oder gar ausfallen können.“ Um die Ausreißer zu verhin­dern, setzt CERN im North Area Projekt daher auf Filter­dros­seln von MANGOLDT. In jedem Power Converter befinden sich drei Dros­seln. Die erste ist eine soge­nannte DC-Link-Filter­drossel, die den Strom aus dem Strom­netz zieht und an zwei Hoch­fre­quenz­dros­seln weiter­leitet, die die Elek­tro­ma­gnete speisen. Ivan Josi­fovic von CERN sagt: „Die Hoch­fre­quenz­dros­seln müssen dabei ganz präzise arbeiten, um die Ausreißer zu glätten.“

Mit präziser Arbeit meint Josi­fovic eine möglichst geringe Induk­ti­vität der Dros­seln. Michael Eßer, Head of Engi­nee­ring bei MANGOLDT, erklärt es so: „Induk­ti­vität könnte man auch als eine Art Strom­bremse beschreiben.“ Das bedeutet: Bei höheren Frequenzen wird mit einer gerin­geren Induk­ti­vität gear­beitet, um die Störungen zu dämpfen. Dies ermög­licht es den Dros­seln, die elek­tri­sche Span­nung präzise an die Magnete abzu­geben.

Die geringe Induk­ti­vität errei­chen die Experten bei MANGOLDT durch eine spezi­elle Bauweise. Eine Drossel hat zwei Haupt­be­stand­teile: einen Kern aus Eisen­blech und den Wickel, bestehend aus aufge­wi­ckeltem Isola­ti­ons­ma­te­rial und Alumi­nium- oder Kupfer­band. Durch spezi­elle Luft­spalte wird der Eisen­kern in mehrere Segmente geteilt. Michael Eßer erklärt: „Mit der Größe und Anzahl der Luft­spalte können wir die Induk­ti­vität anpassen und CERNs Anfor­de­rung erfüllen.“ Neben der Induk­ti­vität ist für Josi­fovic noch eine weitere Eigen­schaft entschei­dend: „Die Hoch­fre­quenz­dros­seln dürfen im Einsatz nicht heißer als 70 Grad Celsius werden. Sonst verkürzt das ihre Lebens­dauer.“

Um diese Grenze einzu­halten, setzt MANGOLDT beson­ders dünnes Eisen­blech ein, da so wenig Abwärme entsteht. „Wir sind sehr zufrieden mit der profes­sio­nellen Zusam­men­ar­beit mit MANGOLDT. Wir bekamen stets eine schnelle Antwort auf unsere Fragen“, fasst Josi­fovic zusammen. Für MANGOLDT gibt es noch viel zu tun. Um die Magnete mit Strom zu versorgen, werden in den POLARIS Power Conver­tern insge­samt 3.750 Dros­seln benö­tigt. Die Reno­vie­rungs­ar­beiten der North Area werden 2029 abge­schlossen sein.