Anpassung von Wägezellen Eine kleine, aber wichtige Komponente im hellsten Röntgenlaser der Welt

Durch die Modifizierung seiner Standard-Wägezellen trägt OMEGA dazu bei, dass das neuartige Laserprojekt planmäßig 2018 abgeschlossen werden kann.

Herausforderung • Standard-Wägezellen mussten modifiziert werden, um sie an das Projektdesign anzupassen
• Großes, komplexes Projekt mit festem Termin, das planmäßig umgesetzt werden musste

Herausforderung

Standard-Wägezellen verfehlen ihr Ziel
Im Rahmen eines neuen Röntgenlaserprojekts rüsten Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums den (SLAC) aufzurüsten.

Das als LCLS-II bekannte Projekt wird die Leistung und Kapazität des Lasers erheblich steigern – er wird im Durchschnitt 10.000 Mal heller sein als der bestehende Laser des SLAC, die Linac Coherent Light Source (LCLS), und 8.000 Mal schneller feuern können.

Wie der bestehende Laser nutzt auch der LCLS-II Elektronen, die durch eine Reihe von Magneten, sogenannte Undulatoren, fliegen. Die Undulatoren zwingen die Elektronen, eine Zickzackbahn zu beschreiben und Energie in Form von Röntgenstrahlen abzugeben. Der LCLS-II besteht aus zwei separaten Strahlführungen, von denen eine aus einer Kette von 21 „weichen” Röntgen-Undulatoren mit niedrigerer Energie und jeweils 346 Magneten und 32 „harten” Röntgen-Undulatorsegmenten mit höherer Energie und jeweils 518 Magneten besteht.

Die „harte” Röntgenstrahlführung nutzt einen einzigartigen horizontalen Spalt-Undulator, der vom Argonne National Laboratory entwickelt wurde und 144 spezielle Federn verwendet, um die Magnetkräfte auszugleichen, die entstehen, wenn der Spalt zwischen den beiden Magnetanordnungen kleiner wird. Das Gleichgewicht zwischen den Magnetkräften und den Federkräften ist für die Leistung des Undulators von entscheidender Bedeutung.

Als Teil der Konstruktion messen und erkennen Wägezellen jedes Ungleichgewicht zwischen der Magnetkraft und der Federkraft, wenn das Gerät zusammengebaut wird. „Da die Magnetfelder so groß sind, kann sich die Aluminiumstruktur, an der die Magnete befestigt sind, verformen, was wiederum zu Verzerrungen im Magnetfeld führen kann”, sagte Allan DeMello, Maschinenbauingenieur am Lawrence Berkeley National Laboratory. „Wir können zwar die Magnete nicht einstellen, aber wir können die Federspannung anpassen, um die Magnete im Gleichgewicht zu halten. Im Idealfall sollten die Wägezellen einen Wert von Null anzeigen.“

Nachdem sie jedoch eine Handvoll handelsüblicher Wägezellen bestellt hatten, um sie in ihren Undulatoren zu testen, stellten die Ingenieure des Berkeley Labs fest, dass diese nicht ganz den Anforderungen entsprachen. Bei jedem großen Ingenieursprojekt können selbst kleine Änderungen einen Dominoeffekt haben, der zu Verzögerungen im Projektzeitplan und zu Budgetüberschreitungen führt.

Da Berkeley Labs wusste, dass eine Modifizierung der Wägezellen anstelle einer Modifizierung anderer Aspekte der Undulatoren die kostengünstigste und zeitnahste Lösung wäre, wandte sich das Unternehmen an OMEGA, den Hersteller der Wägezellen, um zu erfahren, ob dieser ihnen helfen könnte, ihre Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig den Projektzeitplan einzuhalten.

Lösung • Möglichkeit, das Design der Wägezellen nach Bedarf weiterzuentwickeln und zu modifizieren
• Nutzung des internen technischen Know-hows zur Bewältigung von Designherausforderungen
• Vollständige Anpassung von handelsüblichen Wägezellen nach Kundenwunsch

Lösung

Ein Anpassungsprozess, der ganz auf die individuellen Anforderungen der Kunden ausgerichtet ist
Als DeMello sich erstmals an OMEGA wandte, wusste er, dass einige der Schrauben, mit denen das Gerät zusammengehalten wurde, so modifiziert werden mussten, dass sie bündig abschließen und nicht hervorstehen. Während er jedoch mit den Ingenieuren von OMEGA an dieser Modifikation arbeitete, ergaben sich weitere Anpassungen. „Wir stellten fest, dass wir eine größere Gewindegröße benötigten“, sagte DeMello. „Wir wollten nicht, dass sich die Schrauben lösen, daher war das wichtig.“ Außerdem benötigten sie einen Anschluss am Ende der Wägezellen, um eine Leitung an ihren D-9-Anschluss an einer vorhandenen Anzeige anzuschließen.

OMEGA stellt die meisten seiner Produkte selbst her. Dadurch konnte das Unternehmen nicht nur sein internes Know-how in den Bereichen Design und Anwendungstechnik nutzen, um ein Standardprodukt anzupassen, sondern auch flexibel auf die Weiterentwicklung des Designs reagieren. Und da sie ihre Produkte von Grund auf selbst entwickeln, waren sogar erhebliche Designänderungen möglich, wie beispielsweise das Hinzufügen eines Anschlusses am Ende der Wägezellen.

„Es war schön, einen Anbieter zu finden, der bereit war, so einfach ein kundenspezifisches Teil herzustellen“, sagte DeMello.

Während des gesamten Anpassungsprozesses arbeiteten die Ingenieure für Anwendungen und Konstruktionen von OMEGA eng mit den Ingenieuren von Berkeley Labs zusammen, um die richtigen Änderungen vorzunehmen. OMEGA schickte dem Kunden nicht nur Kontrollzeichnungen, die Berkeley Labs mit Änderungswünschen versehen konnte, sondern entsandte auch einen leitenden Ingenieur zu Berkeley Labs, um sich den dort gebauten Undulator anzusehen und zu prüfen, wie die Wägezellen in das Design passen würden.

Im Laufe des Konstruktionsprozesses lieferte OMEGA Prototypen an Berkeley Labs, um sicherzustellen, dass die Änderungen genau richtig waren. Nachdem die Konstruktion fertiggestellt war, erstellte OMEGA einen Produktionsplan, der dem Zeitplan des Berkeley Labs entsprach.

Ergebnisse • Über 400 maßgeschneiderte Wägezellen für Anwendungen hergestellt
• Keine Auswirkungen auf den Projektzeitplan
• Auftragsabwicklung bis zum Versand in nur etwas mehr als 30 Tagen

Ergebnis

Interne Anpassung erfüllt alle Ziele
Da über 400 maßgeschneiderte Wägezellen benötigt wurden, war es entscheidend, dass die Wägezellen nicht nur so modifiziert wurden, dass sie genau wie angegeben in die Undulatoren passten, sondern dass sie auch ohne Auswirkungen auf den Gesamtzeitplan des Projekts hergestellt, versandt und installiert werden konnten.

Nachdem das Design fertiggestellt und die Bestellungen für die maßgeschneiderten Wägezellen aufgegeben waren, konnte OMEGA die ersten Bestellungen in etwas mehr als 30 Tagen produzieren und versenden, wodurch der Gesamtzeitplan des Projekts eingehalten werden konnte. Darüber hinaus verfügt Berkeley Labs nun über eine spezifische Teilenummer, die von OMEGA so lange wie nötig unterstützt wird. Dies gibt ihnen die Sicherheit, dass sie bei Bedarf problemlos Ersatzteile erhalten können, und begrenzt die Menge an Sicherheitsbeständen, die sie selbst vorhalten müssen.

Nach ihrer Fertigstellung werden die maßgeschneiderten Wägezellen eine kleine, aber wichtige unterstützende Rolle bei der Stromversorgung eines Lasers mit unvergleichlichen Fähigkeiten spielen, um detaillierte Momentaufnahmen von schnellen Prozessen zu erfassen, die außerhalb der Reichweite anderer Lichtquellen liegen. Mit diesen Beobachtungen können Wissenschaftler die Dynamik wichtiger chemischer Reaktionen besser verstehen, die den Schlüssel zur Entdeckung lebensrettender Medikamente oder innovativer Energielösungen darstellen könnten.

Anwendung

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Product Info

DwyerOmega | Blog | Was ist ein Manometer? Verfasst von: Dan Schultz
Aktualisiert am: 30. Oktober 2025

Technical Learning

Was bedeutet „eigensicher“? Written by: Dan Schultz
Updated on: March 30, 2026