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Linearbeschleuniger für Elektronen : Berliner ERL-König

vom
Aus der Redaktion der Zeitung für die Landeshauptstadt

In der deutschen Hauptstadt wird ein einzigartiger Linearbeschleuniger für Elektronen gebaut: Er soll Röntgenstrahlen für Experimente liefern.

Mit brillantem Röntgenlicht aus Teilchenbeschleunigern erforschen Wissenschaftler winzigste Strukturen in Werkstoffen, Biomolekülen, Gemälden oder auch archäologischen Objekten. Der Stromverbrauch dieser große Hallen füllenden Strahlungsquellen ist sehr hoch, denn geladene Teilchen müssen mit elektrischer Energie auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. In Berlin wird nun eine Versuchsanlage namens bERLinPro gebaut, die einen großen Teil der in den Beschleuniger eingespeisten Energie wieder zurückgewinnen kann. Sollte diese weltweit einzigartige Anlage die in sie gesteckten Erwartungen erfüllen, könnte das den Bau von Röntgenquellen für die Forschung revolutionieren.

Bei dem Wort Teilchenbeschleuniger denken viele sofort an das europäische Forschungszentrum Cern bei Genf. Dort gelang den Wissenschaftlern vor wenigen Jahren mit dem größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem LHC, die Entdeckung des sogenannten Higgs-Teilchens. Sie hatten in dem rund 27 Kilometer langen, ringförmigen Beschleuniger Protonen gegenläufig auf sehr hohe Geschwindigkeiten gebracht und dann aufeinanderprallen lassen. Die Protonen zerstrahlen dabei in einem heftigen Energieblitz, aus dem heraus andere Teilchen geboren werden können – unter anderem eben auch das schon vor Jahrzehnten theoretisch vorhergesagte Higgs-Teilchen.

Doch nicht immer geht es in Teilchenbeschleunigern um derart martialische Experimente, bei denen Materie vernichtet und neu erschaffen wird. Es gibt auch Anlagen, in denen schlicht Elektronen fortwährend im Kreis laufen, ohne dass Forscher die Absicht hätten, sie mit irgendetwas kollidieren zu lassen. Die Elektronen sind für sie lediglich winzige Arbeitstiere, die bei ihren Runden im Beschleuniger Röntgenlicht erzeugen. Sie strahlen es in die gleiche Richtung ab, in die sie sich bewegen. Grund für diesen Effekt ist das Naturgesetz, wonach jede beschleunigte Ladung (hier also konkret das Elektron) elektromagnetische Wellen (hier Röntgenlicht) aussendet.

Für diesen Zweck optimierte, ringförmige Beschleuniger heißen Synchrotrone, und das von ihnen erzeugte Röntgenlicht Synchrotronstrahlung. Forscher nutzen sie für eine Vielzahl von Experimenten – in der Physik, der Biologie oder in den Materialwissenschaften. Der Elektronenbeschleuniger ist hier also nur Mittel zum Zweck.

Synchrotronstrahlung ermöglicht es Wissenschaftlern, winzigste Strukturen von Werkstoffen, Biomolekülen oder archäologischen Objekten sichtbar zu machen. Vereinfacht gesagt, ermöglicht der Beschleuniger Aufnahmen mit einer Auflösung, die ein Lichtmikroskop niemals erreichen könnte. Außerdem können sehr schnelle Vorgänge zeitlich aufgelöst, also in Zeitlupe betrachtet werden. Die Summe dieser Möglichkeiten macht Synchrotrone in zahlreichen Forschungsdisziplinen zu unverzichtbaren Instrumenten. Mithilfe von Synchrotronstrahlung haben Forscher beispielsweise die Struktur und Funktion von Ribosomen in menschlichen Zellen aufgeklärt. Diese Biomoleküle setzten den Code des Erbmoleküls DNA in Proteine um.

Weltweit gibt es zirka 30 Synchrotrone – davon in Deutschland unter anderem das Desy in Hamburg, Delta an der TU Dortmund, Anka am Karlsruhe Institute for Technology (KIT) und das Bessy II in Berlin. Dort wurde mit dem Bau der Forschungsanlage „bERLinPro“ begonnen, die noch brillanteres Röntgenlicht liefern soll. Dazu wird ein linearer Beschleuniger (Linac) mit kreisförmigen Segmenten kombiniert. Die drei Buchstaben ERL im Projektnamen stehen für Energy Recovery Linac, also für einen Linearbeschleuniger, der Energie zurückgewinnen kann. „Mit bERLinPro beginnen wir ein neues Kapitel der Beschleunigertechnologie. Das eröffnet uns neue Möglichkeiten, die wir jetzt noch gar nicht abschätzen können“, schwärmt Professor Andreas Jankowiak, der Leiter des Instituts für Beschleunigerphysik, das zum Helmholtz-Zentrum Berlin gehört.

Auf einer langen, geraden Strecke werden beim bERLinPro die von einem Injektor eingespeisten Elektronen durch starke elektrische Felder beschleunigt. Erst dann zwingen sie spezielle Magnete, sogenannte Undulatoren, zu einer Auf-und-ab-Schwingung. Diese vertikale Zitterbewegung führt – ähnlich wie in einem Synchrotron – zum Abstrahlen von Röntgenlicht. Weil die Elektronenpakete in einem Linearbeschleuniger kompakter sein können als in einem kreisförmigen Beschleuniger, sind die optischen Eigenschaften des Röntgenlichts besser. Je kleiner die Fläche ist, von der Licht abgestrahlt wird, umso größer ist die sogenannte Brillanz der Strahlung. Es sind dann noch präzisere Messungen möglich. Man kann sich das so veranschaulichen: Eine punktförmige Lichtquelle wirft von einem Objekt schärfere Schatten als ein großflächiger Lampenschirm.

Nach dem Durchlaufen der Undulatoren gelangen die Elektronen über eine kreisförmige Bahn, eine gerade Strecke und eine weitere Kreisbahn zurück in den Linearbeschleuniger. Dort werden sie abgebremst und können dann wieder mehr als 99 Prozent ihrer Energie an das Hochfrequenzfeld des Linearbeschleunigers zurückgeben. Eine so hohe Recyclingrate lässt sich nur erreichen, wenn die Beschleunigerantennen supraleitend sind, also elektrische Ströme ohne jeden Widerstand leiten. Dazu kommen beim bERLinPro Röhren aus Niob-Metall – sogenannte Hohlraumresonatoren – zum Einsatz. Sie werden mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von minus 271 Grad Celsius gekühlt. Die zurück gewonnene Energie lässt sich zur Beschleunigung des nächsten, frisch erzeugten Elektronenstrahls nutzen. Jeder neue Strahl besitzt die gleichen exzellenten Parameter und damit reproduzierbare Eigenschaften für die jeweiligen Experimente. Die ERL-Methode verbessert nicht nur die Energieeffizienz und spart Kosten, sondern ermöglicht auch höhere Stromstärken und damit eine höhere Intensität der Röntgenstrahlung.
Die Idee zur ERL-Technik stammt aus den 60er Jahren. Es vergingen jedoch mehr als drei Jahrzehnte, bis nach der Jahrtausendwende erste Anlagen damit ausgerüstet wurden – etwa am Jefferson Lab in den USA. BERLinPro ist also nicht der erste Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung. Doch in Berlin wird die Stromstärke der Elektronen zehnmal höher sein.


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