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Teilchenbeschleuniger auf Mikrochip: © SLAC National Accelerator Laboratory

Teilchenbeschleuniger auf Mikrochip

Die Gordon-und-Betty-Moore-Stiftung fördert die Entwicklung eines Teilchenbeschleunigers auf einem Mikrochip bei DESY und der Universität Hamburg

Die Gordon-und-Betty-Moore-Stiftung fördert die Entwicklung eines Teilchenbeschleunigers auf einem Mikrochip mit 13,5 Millionen US-Dollar (12,6 Millionen Euro). DESY und die Universität Hamburg gehören zu den Partnern des internationalen Projekts, das von Prof. Robert Byer von der Universität Stanford (USA) und Prof. Peter Hommelhoff von der Universität Erlangen-Nürnberg geleitet wird. Innerhalb von fünf Jahren soll dabei ein funktionierender Prototyp eines „Accelerator-on-a-Chip“ (Beschleuniger auf einem Chip) entstehen.

Großanlagen schrumpfen auf Chipgröße

Teilchenbeschleuniger sind seit Jahrzehnten unverzichtbare Werkzeuge in zahlreichen Forschungszweigen – von der physikalischen Grundlagenforschung bis hin zur Untersuchung der Struktur von Biomolekülen für die Entwicklung neuer Medikamente. Beschleuniger-basierte Forschung ist mehrfach mit Nobelpreisen ausgezeichnet worden. Bislang sind die nötigen Anlagen sehr groß und teuer. Mit verschiedenen Ansätzen versuchen Wissenschaftler und Ingenieure , kompaktere und günstigere Teilchenbeschleuniger zu bauen. Für viele Zwecke bleiben die Großanlagen zwar vorerst unverzichtbar. Es gibt jedoch Anwendungsgebiete, in denen leistungsfähige Miniatur-Beschleuniger für Elektronen ganz neue Einblicke ermöglichen könnten.

Das Ziel: klein und günstig

Ziel des Projekts ist es, kleine und günstige neuartige Teilchenbeschleuniger für einen breiten Anwenderkreis zu entwickeln. Dabei können nicht nur die schnellen Elektronen selbst genutzt werden. Mit ihrer Hilfe könnte sich auch intensives Röntgenlicht erzeugen lassen, wie es heute bereits in großen Beschleunigern geschieht. „Der Prototyp kann den Weg für eine neue Generation von Labortisch-Beschleunigern bereiten und damit für unvorhergesehene Entdeckungen in der Biologie und der Materialwissenschaft sowie für mögliche Anwendungen in der Sicherheitstechnik, medizinischen Therapie und Röntgenbildgebung“, erläutert Byer.

50 Mal kleiner ist schon heute möglich

Das Projekt fußt auf Entwicklungen der Nano-Photonik, der Herstellung und Nutzung von Nanostrukturen zur Generation und Manipulation von Licht. Zur Beschleunigung der elektrisch geladenen Elementarteilchen wird dabei ein sichtbarer oder infraroter Laser verwendet statt der heute üblichen Hochfrequenz-Radiowellen. Die Wellenlänge dieser Strahlung ist rund zehn- bis hunderttausendmal kürzer als die Radiowellen und erlauben damit eine stärkere Beschleunigung. „Der Vorteil: Alles wird bis zu fünfzigmal kleiner,“ erläutert der Leitende DESY-Wissenschaftler Franz Kärtner, der auch Professor an der Universität Hamburg und am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA sowie Mitglied im Hamburger Exzellenzcluster Center for Ultrafast Imaging (CUI) ist. Er leitet in Hamburg eine ähnliches, durch das European Research Council (ERC) gefördertes Projekt.

„Die typische transversale Größe einer Beschleunigerzelle kann etwa von zehn Zentimetern auf einen Mikrometer reduziert werden“, ergänzt Dr. Ingmar Hartl, Leiter der Lasergruppe im DESY-Forschungsbereich Forschung mit Photonen. Derzeit erste Wahl für das Material der Miniatur-Beschleunigermodule ist dabei Silizium. „Das hat den Vorteil, dass man auf die weit fortgeschrittene Fertigungstechnik für Silizium-Mikrochips zurückgreifen kann“, erläutert Hartl.

Internationales Projekt

DESY wird in das Projekt unter anderem sein weltweit führendes Laser-Know-how einbringen, das sich bereits in der Kooperation mit der Universität Erlangen-Nürnberg bewährt hat. Hommelhoffs Gruppe hatte für langsame Elektronen gezeigt, dass ein mikrostrukturiertes Beschleunigermodul einen höheren Beschleunigungsgradienten erreichen kann als die Radiowellentechnik. Unabhängig davon hatte die Gruppe um Byer dies für schnelle relativistische Elektronen demonstriert.

An dem Projekt sind außer DESY und den Universitäten Stanford, Erlangen-Nürnberg und Hamburg das US-Beschleunigerzentrum SLAC, das Schweizer Paul-Scherrer-Institut (PSI) sowie die Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA), die Purdue-Universität, die Eidgenössische Technische Hochschule in Lausanne (EPFL) und die Technische Universität Darmstadt, sowie die US-amerikanische Firma Tech-X beteiligt.
him

Quelle und weitere Informationen:
www.desy.de

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