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Beschleunigerprojekt bERLinPro - Berlin Energy Recovery Linac Prototype

Kompakte Elektronenpakete für brillantes Licht.

Mit dem Projekt BERLinPro entwickelt das HZB zusammen mit Partnern in der Helmholtz-Gemeinschaft und aus aller Welt eine neuartige Beschleunigertechnologie weiter und stellt das Prinzip eines „Energy Recovery Linac" (ERL, deutsch: Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung) auf eine technologische Basis.

Im Energy Recovery Linac Prototyp werden Elektronenpakete in einem Injektor erzeugt und in einem supraleitenden Linearbeschleuniger (Linac) beschleunigt. Die Elektronen werden durch Magnetstrukturen, so genannte Undulatoren, geführt und erzeugen dort Röntgenstrahlung wie in einer Synchrotronstrahlungsquelle - haben jedoch eine höhere Brillanz, da die Elektronenpakete im Linac kompakter bleiben als in einem Kreisbeschleuniger. Die Elektronenpakete werden kontinuierlich injiziert und kommen nach ihrem Umlauf wieder in den Linac zurück, wo sie abgebremst werden. Dadurch gewinnt man nahezu die gesamte Energie zurück.

BERLinPro – hohe Ströme und kleine Emittanzen

Das ERL-Prinizp wurde weltweit bisher nur für Ströme bis zu 10 mA gezeigt. Im Rahmen von bERLinPro soll nun eine kompakte Anlage aufgebaut werden, die alle Schlüsselelemente einer Hochstromquelle enthält. Dabei werden alle Komponenten entwickelt und erprobt – zum Beispiel die hochbrillante Elektronenquelle, supraleitende Beschleunigersektionen sowie Magnetsysteme zur Injektion und Strahlrückführung.

Im bERLinPro soll der supraleitende Linearbeschleuniger einen Elektronenstrahl erzeugen, der in so genannten Kavitäten beschleunigt wird – Diese Kavitäten bestehen aus Niob-Metallröhren, die mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von zwei Kelvin (-271 Grad Celsius) und damit nur knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Die tiefen Temperaturen sind Voraussetzung für den Betrieb des supraleitenden Beschleunigers, der permanent Elektronenpakete erzeugt. Die durch die Beschleunigung erreichte Energie entspricht dem Durchlaufen einer Spannung von 50 Millionen Volt. Mit dieser Energie fliegen die Elektronen in ein Strahlführungssystem, das sie auf eine „Rennbahn“ zwingt. Auf dieser Rennbahn sind Undulatoren eingebaut, in denen Synchrotronlicht erzeugt wird.

Probleme entstehen dabei vor allem durch den Umstand, dass sich die Elektronenpakete aufgrund ihrer Ladung gegenseitig abstoßen und somit nicht mehr so kompakt bleiben. Die Elektronenoptik der Anlage muss sicherstellen, dass sich die Qualität der Elektronenpakete während des Umlaufs nicht ändert. Gleichzeitig sorgen die magnetischen Bauelemente der Anlage dafür, dass sich die umgelaufenen Pakete am Ende der "Rennbahn" exakt zwischen zwei zu beschleunigenden Paketen im LINAC einfädeln – wie bei einem Reißverschluss.

bERLinPro soll nun zeigen, dass ein Elektronenstrahl durch dieses Strahlführungssystem geleitet und dann so zum Linearbeschleuniger zurück transportiert werden kann, dass die Elektronen ihre Energie an das Feld zurückgeben. Die zurück gewonnene Energie steht dann zur Verfügung, um einen frisch erzeugten Elektronenstrahl zu beschleunigen – der wiederum die gleichen exzellenten Parameter aufweist wie der Strahl aus dem Umlauf zuvor.

Neue Optionen durch BERLinPro

vergrößerte Ansicht

Autor der Grafik: Britta Mießen

Gelingt BERLinPro, werden die Leistungsparameter von ERLs um Größenordnungen gesteigert. Für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kommt es bei der ERL-Technologie vor allem darauf an, in Synchrotronquellen kurze, hochbrillante Lichtpulse bei sehr hohen Strömen zu erzeugen. Damit wären zahlreiche neue Anwendungen in der Zukunft möglich. Zum Beispiel könnten solche Technologien als so genannte „Inverse Compton Scattering Strahlungsquelle“ in der medizinischen Therapie und Diagnostik eingesetzt werden. Für die Teilchenphysik könnten neue Elektronenkühler entwickelt werden, die die Grenzen der konventionell eingesetzten elektrostatischen Kühler überwinden. Des Weiteren ließe sich die Technologie nutzen, um die Isotopenzusammensetzung radioaktiver Abfälle in ihrem Containment vor der Lagerung oder Weiterbehandlung zweifelsfrei zu bestimmen.

„Die Entwicklung der ERL-Technologie könnte aber auch das Fenster zu ganz neuen Anwendungen aufstoßen, von denen wir bisher noch gar nichts wissen“, gibt Professor Jens Knobloch, Leiter des Instituts SRF – Wissenschaft und Technologie, zu Bedenken. Schließlich sei die heutige wissenschaftliche Nutzung der Röntgenstrahlung auch ein Aspekt gewesen, der bei der Entwicklung der ersten Lichtquellen in den 1950er-Jahren keine Rolle gespielt habe. Insofern wird mit der Entwicklung von BERLinPro ein Stück weit Neuland betreten.

→ BerLinPro Website