Beschleunigerprojekt SEAlab: Abschluss und Ausblick

Die letzte Messkampagne hat acht Wochen gedauert. Wie ist sie gelaufen? 

Axel Neumann: Sehr gut. Wir konnten sogar Langzeitbetriebsstudien durchführen. Am Wochenende Ende Juni, als es in Berlin sehr heiß war, haben wir die Maschine ohne Unterbrechung durchlaufen lassen, ohne Probleme. Wir haben zwischendurch immer wieder auf das Smartphone geschaut, aber im Kontrollsystem sah alles gut aus. Damit haben wir gezeigt, dass der Beschleuniger, die Infrastruktur und das Gebäude zusammen funktionieren. Damit haben wir eine Menge Lücken geschlossen. 

Welche Ziele habt ihr mit SEAlab verfolgt?  

Axel Neumann: Das SEAlab ist aus BERLinPro hervorgegangen, das 2011 gestartet wurde. Da hatten wir an einem neuartigen Beschleuniger gearbeitet, der einen Großteil der eingesetzten Energie zurückgewinnt, einem Energy Recovery Linac, kurz ERL. Wir hatten ein neues Gebäude eingerichtet, um den Prototypbeschleuniger aufzubauen. Aber aufgrund von Lieferschwierigkeiten und anderen Verzögerungen durch die Pandemie und die Cyberattacke mussten wir die Projektpläne immer wieder modifizieren. Dafür hätte man noch mehr Einsatz von Mitarbeitenden, Zeit und Geld gebraucht.

Thorsten Kamps: Und in der Zwischenzeit wurde immer klarer, dass BESSY III, die nächste Lichtquelle des HZB, nicht auf dem ERL-Prinzip basieren wird, sondern auf einer anderen Technologie, die man nicht mit BERLinPro testen kann. Deshalb haben wir uns 2021 mit SEAlab auf eine zentrale Komponente von BERLinPro konzentriert, nämlich auf den Photoinjektor, die eigentliche Elektronenquelle mit erster Beschleunigungsstrecke. Photoinjektoren sind für Freie Elektronenlaser, ultraschnelle Elektronenbeugung und andere Anwendungen sehr relevant.

Was ist denn die Funktion des Injektors?

Neumann: Im Photoinjektor werden Elektronenpakete über den Photoeffekt erzeugt. Wir holen uns diese Elektronen aus einem speziellen Photokathodenmaterial mit Hilfe intensiver Laserpulse. Diese Elektronen beschleunigen wir anschließend mit dem elektrischen Feld eines supraleitenden Hochfrequenzresonators (SRF). Unser neuer Auftrag lautete also für SEAlab, einen solchen Injektor zu entwickeln und die Strahlparameter für einige Anwendungen zu studieren.

Habt ihr das geschafft? 

Kamps: Ja, wir haben es tatsächlich geschafft, einen SRF Photoelektroneninjektor zu bauen und in Betrieb zu nehmen. Dieser Injektor ist weltweit einzigartig. Das Design hat Axel entwickelt und es ermöglicht viele neue Anwendungen. Ich war verblüfft, wie gut sich das Design auch für Anwendungen wie die Behandlung von Wasser mit Ewigkeitschemikalien oder Elektronenstreuexperimente eignet.

Neumann: Wir haben auch neue Methoden entwickelt, um Störungen in den supraleitenden Hochfrequenzresonatoren zu beseitigen. Diese Hochfrequenzresonatoren sind empfindlich, selbst kleinste Verschmutzungen beeinträchtigen ihre Funktionstüchtigkeit. Jetzt wissen wir, wie wir damit umgehen können und davon profitiert die Beschleunigerphysik insgesamt.

Kamps: Für die Photokathoden im Injektor haben wir außerdem ein neues Material entwickelt, das sehr gut mit der anspruchsvollen Umgebung eines SRF Hochfrequenzresonators klarkommt. Es besteht aus einer Verbindung von Natrium, Kalium und Antimon, und wir können diese Elemente als polykristallinen Film auf einem Trägermaterial abscheiden, inzwischen stark automatisiert und mit hoher Reproduzierbarkeit. Viele Labore mit Photoinjektoren sind an unseren Ergebnissen interessiert, zum Beispiel für das DALI Projekt am HZDR.

Dieses Projekt hatte also auch mit Materialforschung zu tun?

Kamps: Ja, natürlich. Wir machen hier auch Materialforschung für Beschleuniger. Im Winter 2025 hatten wir Messzeit im EMIL-Labor an BESSY II, weil wir sowohl Tiefeninformationen als auch Oberflächeninformationen von unseren Kathodenmaterialien brauchten. Am HZB haben wir den riesigen Vorteil, dass wir diese Methoden an BESSY II nutzen können.

SEAlab ist nun mit der letzten Messkampagne beendet. Wo bringt ihr jetzt eure Kompetenzen ein?

Neumann: Ich bin daran beteiligt, am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf einen SRF-Photoinjektor für DALI aufzubauen. Außerdem arbeite ich im europäischen ISAS-Rahmenprogramm an energieeffizienten Beschleunigertechnologien. Das CERN hat Interesse angemeldet daran, dass wir an Testständen für das Future Circular Collider-Projekt mitarbeiten. In Deutschland wird auch in Mainz ein ERL für kernphysikalische Anwendungen aufgebaut. Das Team aus Mainz ist sehr an SRF-Photoinjektoren als mögliche Quelle für ihren ERL interessiert. Denn auch wenn sich das ERL-Konzept für neue Synchrotronstrahlungsquellen nicht durchgesetzt hat, gibt es jetzt eine Art Renaissance, und zwar für Anwendungen in der Kernphysik, Hochenergiephysik, bei Freie-Elektronenlasern oder sogar für die Industrie.

Kamps: Es gibt zum Beispiel jetzt Bestrebungen in den USA und auch in Japan, Energy Recovery Linacs für die Lithografie von Microchips zu bauen. Und die greifen natürlich auf das Know-how aus der Forschung zurück, zu dem wir beigetragen haben. Vieles von diesem Know-how können wir auch für BESSY III nutzen. Ich schaue mir gerade Laser-Plasma-Beschleuniger an, die extrem kompakt gebaut sind und viel weniger Energie benötigen, um Elektronenpakete zu beschleunigen. Perspektivisch könnten solche Mini-Beschleuniger möglicherweise die konventionellen Vorbeschleuniger in modernen Lichtquellen ersetzen.

Können Komponenten aus dem SEAlab weiter genutzt werden? 

Neumann: Ja, manches kann für BESSY II+ verwendet werden, aber auch Teams aus Dresden vom HZDR und der Uni Mainz haben sich schon gemeldet, und wir haben Kontakte zu einem Projekt in Orsay, Frankreich, oder nach Mailand, Italien. Bei einigen Komponenten wissen wir jetzt schon, wo sie gebraucht werden, für andere sind wir noch in Gesprächen.