Elektronen fast so schnell wie das Licht

ELBE-ElektronenbeschleunigerDie Strahlungsquelle ELBE erzeugt mit Hilfe eines gepulsten Elektronenstrahls vielfältige Sekundärstrahlen für Forschungszwecke. Die Firma RI Research Instruments GmbH hat einen im HZDR entwickelten Typ von supraleitender Beschleunigertechnologie übernommen und damit ihr Portfolio um einen hochspezialisierten Bereich erweitert.

ELBE – das größte und wohl vielseitigste Forschungsgerät des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) – schafft es, einen Elektronenstrahl auf 99,992 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Der Strahl ist nicht nur besonders schnell, sondern auch brillant, das heißt mit hohem Strom und fein gebündelt. Daher der Kurzname ELBE, der für „Elektronen Linearbeschleuniger für Strahlen hoher Brillanz und niedriger Emittanz“ steht. Mit einem solchen Elektronenstrahl werden verschiedene Arten von Sekundärstrahlen erzeugt, die Forscher für Grundlagenexperimente auf unterschiedlichsten Gebieten nutzen – in der Medizin und Biologie ebenso wie in der Physik oder der Materialwissenschaft. Neben den Wissenschaftlern des HZDR forschen hier im ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen externe Nutzer aus der ganzen Welt mit Gamma-, Röntgen- und Infrarotstrahlung, Positronen oder Neutronen.

Der Beschleuniger wurde in Rossendorf entwickelt und gebaut. Etwa zehn Jahre arbeiteten Wissenschaftler und Ingenieure des HZDR gemeinsam mit Partnern an der aufwendigen Technologie. Zentrales Element von ELBE ist ein supraleitender Teilchenbeschleuniger, bestehend aus einer Elektronenquelle, dem Buncher und dem Hauptbeschleuniger als wichtigste Bauteile.

Der Buncher macht die Elektronenpakete kürzer und dichter. Das geschieht mit Hilfe eines elektromagnetischen Wechselfeldes, in dem die vorderen Elektronen eines Paketes abgebremst und die hinteren beschleunigt werden. Als Elektronenquelle dienen eine thermionische Elektronenkanone sowie seit neuestem eine supraleitende Hochfrequenz-Photoquelle. Letztere erzeugt mittels eines speziellen Lasers aus einer Photokathode fokussierte Elektronenpulse mit hoher Ladung. Im zweistufigen supraleitenden Linearbeschleuniger kommen kontinuierlich komprimierte Elektronenpakete an, die auf eine Energie von maximal 40 Mega-Elektronenvolt (MeV) beschleunigt werden.

Das alles macht den Einsatz supraleitender Beschleunigertechnologie notwendig. Dadurch ist es überhaupt möglich, extrem hohe Teilchenströme zu beschleunigen. Weil bei Supraleitung kein elektrischer Widerstand auftritt, kommt es nicht zu Wärmeverlusten. Die Beschleunigerstrukturen heizen sich nicht auf, sodass Abkühlpausen wegfallen und ein Dauerbetrieb möglich ist.

Nach dem erfolgreichen Start von ELBE lag dem HZDR daran, die anspruchsvolle Technologie auch für andere Forschungseinrichtungen nutzbar zu machen. So entstand die Zusammenarbeit mit der Firma RI Research Instruments GmbH in Bergisch Gladbach (früher ACCEL Instruments), einem der wenigen Anbieter von Teilchenbeschleunigern für die Forschung. Das Unternehmen ergriff die Chance, mit dem neu entwickelten supraleitenden Typ von Beschleunigungsmodul sein Produktspektrum zu erweitern. Auch für andere, zum Beschleuniger gehörende Bauteile gab es einen Technologietransfer mit dem Unternehmen.

Das Know-how ist gefragt, wie sich inzwischen herausgestellt hat. RI Research Instruments erhielt bislang Aufträge für den Bau von sechs Beschleunigermodulen: jeweils zwei in Großbritannien, in der Türkei an der Universität von Ankara sowie in Mainz. Bei der Umsetzung dieser Projekte arbeiten RI und HZDR weiter eng zusammen. Denn mit der Übergabe der Technologie ist es längst nicht getan. Für jeden Anwender müssen die Module weiterentwickelt und modifiziert werden. Zudem verfügt allein das HZDR über die nötige Prüftechnik, um bestimmte Komponenten zu testen.

Auch an der neuartigen Elektronenkanone aus Rossendorf ist das Industrieunternehmen interessiert. Die supraleitende Gun-Technologie des HZDR stellt einen enormen Fortschritt für zukünftige weltweite Beschleunigerprojekte dar. Das Zusammenspiel zwischen Wissenschaft und Industrie setzt so neue Impulse für die Forschung.