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Erste supraleitende Kanone für Beschleuniger im Einsatz

Die Beschleuniger-Physiker aus aller Welt blicken dieser Tage gespannt auf das Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD), denn hier wurde vor kurzem erfolgreich eine neuartige "Kanone" am Elektronen-Beschleuniger ELBE in Betrieb genommen. Kanonen (im Fachbegriff heißen sie "Gun") sind die Startstationen jedes Beschleunigers: sie formen die Teilchen zu einem Strahl, bringen diesen auf eine Anfangsgeschwindigkeit und sind für dessen physikalischen Eigenschaften insgesamt von Bedeutung. Die neue Rossendorfer Elektronen-Kanone ermöglicht erstmals Strahlen von besonderer Brillanz.

Elektrisch geladene Teilchen wie z. B. Elektronen werden für verschiedenartige Grundlagenexperimente auf hohe Geschwindigkeiten und Energien beschleunigt. Während sich für die Hauptbeschleunigung supraleitende TESLA-Beschleunigerzellen des Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) durchgesetzt haben, wurde in den letzten Jahren weltweit an einer optimalen Kanone für die Vorbeschleunigung gearbeitet. Im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf ging nun eine neuartige "Gun" in Betrieb, die erstmals zwei verschiedene, aus dem Beschleunigerbau bekannte Technologien kombiniert.

Heute im Einsatz befindliche Kanonen stoßen, je nach Bauart, an zwei Grenzen. Handelt es sich um einen elektrostatischen Beschleuniger, der Elektronen durch Spannung vorbeschleunigt und zu einem Strahl formt, so ist dieser begrenzt durch die Höhe der Spannung. Ein elektrostatischer Beschleuniger in kleinem Maßstab ist etwa eine Fernsehröhre. Wird die Spannung über eine gewisse Grenze erhöht, so kommt es zu Überschlägen und der Beschleunigungsprozess ist nicht mehr beherrschbar. Werden dagegen elektromagnetische Wechselfelder - die jedermann z.B. durch die Mikrowelle bekannt sind - für die Beschleunigung eingesetzt, erreicht man zwar größere Spannungen, die Grenzen liegen hier jedoch in der Höhe des Stroms, der in einem Teilchen-Strahl fließt. Elektromagnetische Wechselfelder liefern zwar eine hohe Leistung, aber ein nicht unerheblicher Teil der Leistung wird im Beschleuniger in Wärme umgewandelt, weshalb solche Kanonen in kurzen Abständen an- und ausgeschaltet werden müssen. Man bezeichnet diese Geräte auch als gepulste Beschleuniger.

Die Rossendorfer "Gun" setzt auf elektromagnetische Wechselfelder, umgeht jedoch die Wärmeproblematik, indem für die Beschleunigungszellen das bei tiefen Temperaturen supraleitende Material Niob gewählt wurde. Supraleitung bedeutet, dass das Material keinen elektrischen Widerstand besitzt, dass es also nicht zu Wärmeverlusten kommt. Der Vorteil: die "Gun" kann im Dauerbetrieb gefahren werden und die Leistung des elektromagnetischen Wechselfelds wird zu fast 100 Prozent für die Vorbeschleunigung der Teilchen genutzt. Die so erreichten Strahlströme sind um ein Vielfaches höher als bei gepulsten Beschleunigern. Der Haken: das Niob muss auf ca. 2 Kelvin, also 2 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt von -273,15 °C abgekühlt werden. Hierfür mussten komplizierte Kühl-Bauteile entworfen und gebaut werden.

Eine zweite Technologie sorgt ebenfalls dafür, dass der Teilchenstrahl am Ende extrem gute Eigenschaften hat. Nur Elektronen, die sich im Vakuum befinden, können überhaupt beschleunigt werden. In der Rossendorfer "Gun" werden die Elektronen mit Hilfe eines speziellen Lasers aus einem fotoempfindlichen Material gelöst und ins Vakuum gebracht, was die Erzeugung eines besonders feinen und gut bündelbaren Strahls erlaubt. Von dort können die Elektronen dann in den Niob-Beschleunigerzellen vorbeschleunigt werden, anschließend fliegen sie im Vakuum in den Hauptbeschleuniger.

Insgesamt zeichnet sich die Rossendorfer Kanone dadurch aus, dass die Qualität des erzeugten Teilchenstrahls brillant ist. Unter Brillanz verstehen Physiker einen hohen Strom und die gleichzeitig feine Bündelung eines Strahls. Diese Brillanz nimmt der Teilchenstrahl mit in die Hauptbeschleunigung. An der Strahlungsquelle ELBE wird der Elektronenstrahl in Gamma- und Röntgenstrahlung sowie in Neutronenstrahlen umgewandelt und es werden zwei Freie-Elektronen Laser für die Erzeugung infraroter Strahlung damit betrieben. Alle Experimente profitieren ab jetzt von der verbesserten Qualität des Elektronenstrahls, zugleich stellt die Rossendorfer Kanone einen enormen Fortschritt für weltweite Beschleunigerprojekte der Zukunft dar.

Entwicklung und Bau der "Gun" wurden von der Europäischen Union und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Als Kooperationspartner an der Entwicklung mitgewirkt haben die Forschungszentren DESY in Hamburg, BESSY sowie das Max-Born-Institut in Berlin und die Firma ACCEL Instruments GmbH in Bergisch Gladbach.

Pressemitteilung 13.11.2007: Erste supraleitende Kanone für Beschleuniger im Einsatz

Dr. Peter Michel (links) freut sich zusammen mit den Kollegen der Abteilung Strahlungsquelle ELBE über die erfolgreiche Inbetriebnahme der Rossendorfer Elektronen-Kanone am 12.11.2007 gegen 17.00 Uhr. Auf dem Bildschirm im Hintergrund sieht man den gelben Strahlfleck auf rotem Hintergrund.

Pressemitteilung 13.11.2007: Erste supraleitende Kanone für Beschleuniger im Einsatz

CAD-Zeichnung der Rossendorfer Elektronen-Kanone

Pressemitteilung 13.11.2007: Erste supraleitende Kanone für Beschleuniger im Einsatz

Beim Verschrauben des Kühlkörpers im Reinraum

Pressemitteilung 13.11.2007: Erste supraleitende Kanone für Beschleuniger im Einsatz

Foto von der Rossendorfer Elektronen-Kanone kurz nach dem Einbau im August 2007

Weitere Auskünfte:
Dr. Peter Michel
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
Leiter der Abteilung Strahlungsquelle ELBE
Institut für Strahlenphysik
Tel.: 0351 260 - 3259