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19.11.2015
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Teilchenbeschleuniger auf Mikrochip

Innovative Entwicklung soll Zugang zu Beschleunigertechnologie erleichtern

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.

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Drei Miniatur-Beschleunigermodule aus Silizium auf einer durchsichtigen Basis. Bild: SLAC National Accelerator Laboratory
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 ‚Schrumpfen‘ von Beschleunigern ist ähnlich relevant wie die Evolution von Computern, die einst ganze Räume füllten und heute um das Handgelenk getragen werden können“, betont Hommelhoff. Ein solcher Fortschritt könne den Einsatz von Teilchenbeschleunigern in Bereichen ermöglichen, in denen es bislang keinen Zugang zu derartigen Techniken gab.

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.

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Beispiele für Nanostrukturen, die für den Miniaturbeschleuniger untersucht werden. Bild: SLAC National Accelerator Laboratory
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.

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, sogenannte relativistische Elektronen demonstriert.

Der Weg von einem experimentellen Aufbau im Labor zu einem funktionierenden Prototyp ist allerdings noch weit. So müssen einzelne Komponenten des Systems neu entwickelt werden. DESY arbeitet unter anderem an einer hochpräzisen Elektronenquelle, mit der die Elementarteilchen in die Beschleunigermodule eingespeist werden, einem leistungsfähigen Laser zur Beschleunigung sowie einer Elektronen-Slalomstrecke zur Erzeugung von Röntgenlicht. Außerdem ist das Zusammenspiel der Miniatur-Komponenten noch keine Routine, insbesondere nicht die Kopplung mehrerer Beschleunigungsmodule.

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Mitglieder des internationalen wissenschaftlichen Projekts zur Entwicklung eines Beschleunigers auf einem Mikrochip. Bild: SLAC National Accelerator Laboratory
Das im Aufbau befindliche Beschleuniger-Entwicklungslabor SINBAD („Short Innovative Bunches and Accelerators at DESY“) wird eine ideale Testumgebung für die Miniatur-Beschleunigermodule bieten. „Bei SINBAD lässt sich ein qualitativ hochwertiger Elektronenstrahl in die Module einspeisen, die Strahlqualität testen und eine effiziente Laser-Kopplung erarbeiten. DESY bietet hier einzigartige Möglichkeiten“, erläutert der Leitende DESY-Wissenschaftler Dr. Ralph Aßmann.

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.

Die Gordon-und-Betty-Moore-Stiftung fördert bahnbrechende wissenschaftliche Entdeckungen, Umweltschutz, Fortschritte in der Pflege von Patienten und den Erhalt des besonderen Charakters der Bay Area bei San Francisco. Gordon Moore ist Mitbegründer des Chipherstellers Intel und Urheber des „Moore'schen Gesetzes“. Es prognostiziert, dass sich die Zahl der Schaltkreiskomponenten (Transistoren) auf Mikroprozessoren in etwa alle zwei Jahre verdoppelt.

Weitere Informationen: Mitteilung der Universität Erlangen-Nürnberg; Video des US-Beschleunigerzentrums SLAC (englisch)