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An die Schüler der 11. und 12. Klassen in Dresden und Umgebung:

Wer von Euch möchte uns helfen, unsere Forschungsthemen in einer allgemeinverständlichen Sprache einem breiten Publikum im Internet im Rahmen eines Praktikums oder einer Ferienarbeit vorzustellen? Voraussetzungen sind:

  • Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen

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Das Herz von ELBE - ein supraleitender Hochfrequenzbeschleuniger

Der wichtigste Bestandteil von ELBE ist ein Teilchenbeschleuniger. Er besteht aus einer Elektronenquelle, dem Buncher und dem Hauptbeschleuniger (zwei Linearbeschleunigern). Die komplexe Baugruppe aus Elektronenquelle und Buncher bezeichnet man als „Injektor“.  Natürlich besteht der supraleitende Hochfrequenzbeschleuniger noch aus vielen weiteren Bauteilen, jedoch werden wir im Folgenden nur auf die größten und wichtigsten Bauteile des Teilchenbeschleunigers  eingehen.


Der Injektor - Baueinheit aus Elektronenquelle und Buncher

Der Injektor ist ein technisches Gerät, das frei bewegliche Elektronen erzeugt und diese als gepulsten (Elektronen werden nicht kontinuierlich abgegeben, sondern in Form von Elektronenpulsen) und komprimierten Elektronenstrahl, welcher sich mit 75% der Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, aussendet. 

Die thermische Elektronenquelle - Geburtsort der frei beweglichen Elektronen

Die Elektronenquelle löst frei bewegliche Elektronen aus einer Metallplatte heraus und beschleunigt diese auf eine hohe Anfangsgeschwindigkeit, damit man die Elektronen besser zum Buncher transportieren kann.

  Bau der thermischen Elektronenquelle

Funktionsweise: 

  • Glühkathode wird auf 1100°C erwärmt  => frei bewegliche Elektronen werden kontinuierlich aus ihr herausgelöst (Fachbegriff: emittiert)
  • Elektronisch gepulstes Gitter öffnet sich für etwa eine Nanosekunde und entlässt Elektronenpakete, sog. Elektronenpulse (ca. 500 Millionen einzelne Elektronen)

  • Elektronen werden im elektrostatischen Feld von der Kathode zur Anode beschleunigt; Elektronenpakete (jeweils ca. 20cm lang, der Abstand zwischen den Paketen beträgt etwa 17 Meter) verlassen die Quelle und erreichen den Buncher.           

Der Buncher - die vorderen Elektronen eines Paketes werden langsamer, die hinteren schneller

So bewirkt der Buncher, dass sich die Elektronenpakete verkürzen und verdichten (aus Einzelelektronen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wird ein homogener, gepulster Elektronenstrahl).

Aufbau:

Buncher Bau

 Funktionsweise:
  • In der Bunchercavität (Resonator) wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt
  • Elektronenpakete gelangen in das Feld des Bunchers
  • Elektronen im vorderen Teil des Paketes werden durch den negativen Teil der Halbwelle des Feldes abgebremst
  • Elektronen im mittleren Teil des Paketes behalten ihre Geschwindigkeit bei
  • Elektronen im hinteren Teil des Paketes werden durch den positiver Teil der Halbwelle des Feldes beschleunigt
  • Damit das Ganze funktioniert, muss sich das Elektronenpaket - wie oben im Bild - genau dann in der Mitte der Kavität befinden, wenn die Amplitude der stehenden elektromagnetischen Welle ihr Maximum erreicht.

Nach dem Buncher wird das Elektronenpaket kürzer, Länge des Paketes beträgt nur noch wenige Millimeter bzw. wenige hundert Picosekunden

Die Elektronen müssen zum rechten Zeitpunkt am rechten Ort sein: Ein paar Picosekunden zu spät oder zu früh und das Paket wird in die Länge gezogen und dann im Beschleuniger nicht richtig beschleunigt.


Der Hauptbeschleuniger  - Elektronen werden schneller und massereicher

Der Hauptbeschleuniger von ELBE besteht aus 2  hintereinander liegenden Linearbeschleunigern (LINAC = eng.: linear accelerator). Der erste LINAC beschleunigt die Elektronen auf eine Energie von 20 Mega-Elektronenvolt (MeV), also 20 Millionen Elektronenvolt. Beim Austritt der Elektronen aus dem ersten Beschleuniger beträgt deren Geschwindigkeit 99,97% der Lichtgeschwindigkeit. Dabei haben die Elektronen das 40-fache der Masse eines ruhenden Elektrons, die etwa 1/2 MeV beträgt.  Beim Austritt der Elektronen aus dem zweiten Beschleuniger werden 40 MeV und 99,992% der Lichtgeschwindigkeit mit 80-facher Ruhemasse erreicht. 

Aufbau:

Nummerierung LINAC 1

9-zellige Resonatoren (Teslakavitäten) aus hochreinem supraleitenden Niob (Sprungtemperatur=9,3 K)

Nummerierung LINAC 2 Heliumkühlanlage mit superfluidem Helium (1,8 K)
Nummerierung LINAC 3 Stickstoffgefülltes Gefäß zur thermischen Isolierung (N2 Schild zur Superisolation)
Nummerierung LINAC 4 beschleunigendes Wechselfeld von 1,3 GHz als
Nummerierung LINAC 5 stehende elektromagnetische Welle

Bau der LINACs

Funktionsweise:

  • beschleunigendes Wechselfeld wird extern erzeugt und in 9-zellige Resonatoren geleitet; eine stehende elektromagnetische Welle in den Resonatoren entsteht (Hochfrequenzleistung)
  • Elektronenpulse gelangen mit einer Energie von 250 KeV in den ersten LINAC (zeitliche Abstände der Pulse genau berechnet, damit diese mit der erzeugten elektromagnetischen Welle harmonieren); Stehende elektromagnetische Welle beschleunigt Elektronenpulse mit einer elektr. Feldstärke von im Mittel 10 MV pro Meter
  • Flüssiges Helium kühlt Resonatoren auf 1,8 K herunter; Resonatoren sind supraleitend; eingekoppelte Hochfrequenzleistung kann nahezu verlustfrei auf Elektronenstrahl übertragen werden
  • Am Ende des ersten LINAC besitzen die Elektronen eine Energie von 20 MeV     
  • Elektronen gelangen in den zweiten LINAC, welcher von Aufbau und Funktionsweise analog dem ersten LINAC ist; Elektronen besitzen am Ende des 2. LINAC eine Energie von 40 MeV

Weitere Nutzung des Elektronenstrahls...

Der gepulste Elektronenstrahl, der jetzt  99,992% der Lichtgeschwindigkeit schnell ist, wird nun über ein Rohrsystem, in dem ein extremes Vakuum herrscht, mit Hilfe von Ablenkmagneten und magnetischen Linsen aus der Beschleunigerhalle in Nachbarräume geleitet. Dort dient er zur Erzeugung von verschiedener Sekundärstrahlung.


Stichwort: Supraleitung

Nur mit Hilfe supraleitender Technologie ist es möglich, solch einen kontinuierlich arbeitenden Hochleistungsbeschleuniger, wie er bei ELBE eingesetzt wird, zu nutzen.

Durch die supraleitende Technologie wird Folgendes erreicht:

  • Die elektrischen Verluste sind sehr gering, da sich die Beschleunigerstrukturen nicht aufheizen.
  • Die Abkühlpausen, die bei normalleitenden Beschleunigern eingehalten werden müssen, fallen weg und ein Dauerbetrieb (kontinuierlicher gepulster Elektronenstrahl bzw. Continuous Wave, kurz cw-Mode) ist möglich.
  • Der notwendige Energieaufwand kann relativ klein gehalten werden, da die gesamte eingespeiste Hochfrequenzleistung (pro Kavität 10 kW) zur Beschleunigung der Elektronen genutzt wird.
  • Die Resonatoren sind temperaturstabilisiert  (1,8 K) und besitzen dadurch eine höhere Güte und sind besser einstellbar.
  • Die Qualität des Strahls wird durch die supraleitende Technologie erheblich verbessert. 

Diese supraleitenden Baugruppen wurden zusammen mit DESY in Hamburg entwickelt. Sie werden außer für die ELBE-Quelle auch für den in Hamburg befindlichen Röntgen-FEL (XFEL) verwendet. Andere Bauteile wurden in enger Kollaboration mit der Stanford Universität  (USA, Bundesstaat Kalifornien) und mit dem Jeffersen Laboratory (USA, Bundesstaat Virginia) entwickelt, da dort ähnliche Anlagen existieren.


Relativitätstheorie

An dieser Stelle wird es Zeit, einmal auf eine oft gestellte Frage einzugehen:  Warum ist es nach der Einsteinschen Relativitätstheorie nicht möglich, den Elektronenstrahl auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen?

Laut Einsteins bekannter Formel E=mc2 wird die Masse eines Körpers, in unserem Falle die Masse des Elektrons, umso größer, je höher seine Geschwindigkeit ist. Jede Energie, die ich einem Körper zuführe, erhöht seine Masse und umgekehrt verringert sich die Masse eines Körpers, wenn ich ihm Energie entziehe.

Es wird nie gelingen, ein Objekt mit einer Ruhemasse, die größer als 0 ist, auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Warum?

Ganz einfach: Je schneller der Körper, umso größer seine Masse und somit auch sein Widerstand, den er der weiteren Beschleunigung entgegensetzt. Laut Einsteins Relativitätstheorie ist die Masse eines Objektes, in unserem Falle die Masse des Elektrons, beim Erreichen der Lichtgeschwindigkeit unendlich groß. Je näher man also den Körper auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, umso größer wird seine Masse. Um ihn ganz auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, müsste man demnach also eine unendlich große beschleunigende Kraft aufbringen.