In Zusammenarbeit mit DESY, Hamburg wurde in der BAM der Prototyp eines Wirbelstrom-Prüfsystems zur Qualitätskontrolle von Niob-Blechen entwickelt. Die Bleche dienen als Basismaterial für die Herstellung supraleitender Hohlraumresonatoren, wie sie im 33km langen Linearbeschleuniger TESLA (TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator) zum Einsatz kommen.

Bereits kleinste Verunreinigungen im Niob führen beim Betrieb des Resonators zu einer lokalen Erwärmung -einem sog. "Quench"- und somit zum Zusammenbruch der Supraleitung. Um einen Quench im Betrieb auszuschließen, müssen Inhomogenitäten (Poren und Einschlüsse) ab einer Größe von 100mm sicher nachgewiesen werden. Obwohl die Ströme im supraleitenden Betrieb nur in der Oberfläche in einer Schicht von wenigen mm fließen, müssen die Inhomogenitäten auch unter der Oberfläche detektiert werden. Bei der Bearbeitung der Bleche wird die obere Schicht chemisch abgetragen, so dass u. U. verdeckte Inhomogenitäten freigelegt werden. Poren unter der Oberfläche behindern die Wärmeabfuhr und können somit ebenfalls einen Quench verursachen.

Die große Anzahl zu prüfender Bleche -bei DESY sind es 400.000 Stück- bedingt möglichst kurze Taktzeiten. Die erforderliche Prüfempfindlichkeit stellt insbesondere wegen der hohen Prüfgeschwindigkeit hohe Anforderungen an die Mechanik (Schwingungsfreiheit) und Sondenführung (Abstand).

Bei DESY in Hamburg wird ein Prototyp dieser Prüftechnik seit einigen Jahren an Niob-Blechen der Größe 280×280mm² erfolgreich eingesetzt. Die quadratischen Bleche werden mit einer Prüfgeschwindigkeit von 2m/s und einem Messpunktabstand von 100mm rotierend abgetastet (Abbildung 1). Nur mit Hilfe der rotierenden Abtastung lässt sich eine solch hohe Geschwindigkeit bei weitgehender mechanischer Schwingungsfreiheit erzielen. Die Prüfzeit pro Blech beträgt ca. 10Minuten.

Abb 1: Prototyp der Prüfeinrichtung. Rotierender Abtastung der Niob-Bleche einer Größe von 280 × 280 mm2 bei einer Geschwindigkeit von 2 m/s

Die Sondenführung erfolgt berührungslos durch ein Luftpolster zwischen Sonde und Prüfteil. Dadurch wird eine hohe Prüfgeschwindigkeit ermöglicht. Gleichzeitig wird eine Verunreinigung der hochreinen Bleche durch Sondenabrieb vermieden.

Bei der pneumatischen Sondenführung wird die Sonde an die Prüfoberfläche angedrückt. Gleichzeitig strömt aus Düsen an der Unterseite des Sondenhalters Luft aus. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der Andruckkraft und dem Gegendruck der ausströmenden Luft ein, wodurch die Sonde in einem konstanten Abstand von 100mm über der Prüfoberfläche schwebt. Dieser pneumatische Sondenhalter wurde in der BAM zur Serienreife entwickelt (Abbildung 2).

Abb 2: Pneumatischer Sondenhalter zur berührungslosen Abtastung durch Luftpolster zwischen Sonde und Prüfteil.

Abb 3: Professionelle Prüfeinrichtung. In Zusammenarbeit mit der Fa. FER, Magdeburg entwickelt. Künftig von Jefferson Lab., USA genutzt.

Die Aufspannung des Bleches auf dem Rotiertisch erflogt durch Unterdruck. Dadurch ist ein sicherer Halt bei hoher Rotationsgeschwindigkeit gewährleistet. Durch den Unterdruck werden außerdem größere Welligkeiten des Bleches plangezogen.

Der Prototyp der BAM wurde in Zusammenarbeit mit der Fa. FER, Magdeburg zu einer professionellen Prüfeinrichtung weiterentwickelt (Abbildung 3). Die maximale Blechgröße liegt jetzt bei 400×400mm². Damit die Prüfzeit von 10Minuten pro Blech trotzt größerer Blechabmessungen erhalten bleibt, wurde die Prüfgeschwindigkeit auf 5m/s gesteigert. Die örtliche Auflösung beträgt nach wie vor 100mm.

Die Montageplatte der Prüfeinrichtung besteht aus 10cm dickem Mineralguss auf einem Gestell aus Aluminiumprofilen. Die hohe Masse der Mineralgussplatte gewährleistet die Schwingungsfreiheit des Systems. Eine Einhausung aus speziellem Plexiglas sorgt für die nötige Sicherheit, falls bei der hohen Rotationsgeschwindigkeit die Vakuumspannung des Bleches ausfallen sollte. Zusätzlich wird durch die Einhausung das Betriebsgeräusch gedämpft.

Diese Prüfeinrichtung wird künftig von Jefferson Lab., USA genutzt.

In Abbildung 4 ist das Ergebnis einer rotierenden Blechprüfung an einem Testblech mit künstlichen Poren (Ø150-490mm) dargestellt. Die Prüfung wurde mit einer in der BAM entwickelten, hochauflösenden Wirbelstromsonde mit optimierten Abbildungseigenschaften durchgeführt. Es kommt eine Zweifrequenzen-Prüftechnik zum Einsatz, um besser zwischen Oberflächeneffekten und verdeckten Fehlstellen unterscheiden zu können.

Abb 4: Ergebnis einer rotierenden Abtastung. Testblech mit künstlichen Poren, Ø 150-490 mm.

Bedingt durch die rotierende Abtastung bleiben -wie in Abbildung 4 zu sehen- die Eckbereiche ungeprüft. Bei der Herstellung der Hohlraumresonatoren werden im nächsten Verarbeitungsschritt aus den geprüften Blechen Ronden ausgestanzt. Die ungeprüften Bereiche werden also zur Herstellung der Resonatoren nicht verwendet. Die Mitte wird ebenfalls herausgestanzt, so dass durch deren Aussparung bei der Prüfung zusätzlich Zeit gespart werden kann.

Bei Jefferson Lab. gibt es überlegungen, die Bleche erst nach dem Ausstanzen in Rondenform zu prüfen, da durch verunreinigte Stanzwerkzeuge Metallspäne in die Niob-Bleche eingepresst werden können. Dieses ist mit dem Prüfsystem unter Verwendung einer entsprechend angepassten Vakuum-Aufspannplatte ebenfalls möglich.