Auf der von DESY und seinen internationalen Partnern entwickelten supraleitenden TESLA-Beschleunigertechnologie beruhen gleich drei verschiedene Anlagen: der knapp 300 Meter lange Freie-Elektronen-Laser FLASH, der 3,4 Kilometer lange Röntgenlaser European XFEL und der etwa 35 Kilometer lange International Linear Collider ILC. Insgesamt arbeiten über 200 Menschen bei DESY an FLASH, dem European XFEL und den Vorbereitungen für den ILC, und viele von ihnen sind in alle drei Projekte involviert – das schafft wichtige Synergieeffekte, die DESY unter den am ILC beteiligten Forschungszentren auszeichnen.

Auch der Betrieb von FLASH sowie der Bau und spätere Betrieb des European XFEL liefern unentbehrliche Einsichten für den ILC – zum Beispiel zur Herausforderung, die anspruchsvolle Beschleunigertechnologie in Zusammenarbeit mit der Industrie bis zur Serienreife zu führen und in der erforderlichen hohen Qualität in großen Stückzahlen industriell zu fertigen. Ebenso kommen die Erfahrungen, die beim Bau des Tunnels für den European XFEL und dem Aufbau der Anlage in seinem Inneren gesammelt werden, den Entwicklungsarbeiten für den ILC unmittelbar zugute.

Vorteil Supraleitung

Die TESLA-Technologie basiert auf speziellen Beschleunigungstrukturen (Resonatoren oder Kavitäten genannt) aus dem Metall Niob. Wenn dieses kälter als minus 264 Grad Celsius ist – Kälte, wie sie sonst nur im Weltraum herrscht –, verliert es seinen elektrischen Widerstand und leitet den Strom ohne Energieverlust, es wird supraleitend. Diese Eigenschaft bietet bei der Teilchenbeschleunigung große Vorteile: Die Leistungsverluste in den Wänden von supraleitenden Resonatoren sind verschwindend gering und nahezu die gesamte Leistung kann auf den Teilchenstrahl übertragen werden. Dies reduziert den Energieverbrauch erheblich. Zudem wird ein Teilchenstrahl von extrem hoher Qualität erzeugt, da die Resonatoren wegen des verschwindenden elektrischen Widerstands größer als bei normalleitender Bauweise gemacht werden können und dadurch weniger Störfelder auftreten. Die Elektronen können zu feinen, hochpräzisen Bündeln geschnürt werden, gleichzeitig lassen sich viele Elektronenpakete in schneller Folge beschleunigen.

Das Ergebnis ist ein Teilchenstrahl mit einem sehr kleinen Strahlquerschnitt und hoher Strahlleistung. Damit lässt sich eine besonders hohe Kollisionsrate der beschleunigten Elektronen und Positronen erzielen – beste Voraussetzungen also für neue Entdeckungen in der Teilchenphysik. Gleichzeitig ist ein Teilchenstrahl mit sehr hoher Folgerate der Elektronenpakete optimal geeignet, um einen Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich zu betreiben.

Allerdings ist die TESLA-Technologie überaus anspruchsvoll. Um die Beschleunigungsstrecke supraleitend zu machen, muss sie auf ganzer Länge mit flüssigem Helium auf minus 271 Grad Celsius gekühlt werden. Dazu werden die Niob-Resonatoren in so genannte Kryostate eingebaut – meterdicke, extrem gut isolierende Metallröhren, die neben acht Resonatoren auch die Transportleitungen für das flüssige Helium sowie verschiedene Komponenten für die Strahlführung und -kontrolle beinhalten. Heikel ist auch die Fertigung der supraleitenden Resonatoren. Schon winzige Unebenheiten oder auch Staubkörnchen auf ihrer Oberfläche reichen aus, um die Supraleitung zusammenbrechen zu lassen und die Resonatoren unbrauchbar zu machen. Deshalb werden die Beschleunigermodule in einem Reinraum gefertigt und montiert, einem Arbeitsbereich, der hunderttausendmal weniger Staub enthält als normale Stadtluft.

Höchste Feldstärken

Bei der Weiterentwicklung der TESLA-Technologie für den zukünftigen Einsatz im ILC-Beschleuniger ist ein wesentliches Ziel, die Beschleunigungsfeldstärke (Gradient) der supraleitenden Niob-Resonatoren zu erhöhen. Im ILC sollen die Elektronen und Positronen entlang der gesamten Strecke zuverlässig mit 31,5 Megavolt pro Meter (MV/m) auf Touren gebracht werden, damit sie schließlich die erforderliche Endenergie erreichen. Theoretisch sollte die Grenze der supraleitenden Technologie bei etwa 50 MV/m liegen. Vereinzelt konnten bereits einzellige Resonatoren mit bis zu 43 MV/m hergestellt werden. Neunzellige Kavitäten, wie sie für den ILC vorgesehen sind, erreichen bisher im Einzeltest bis zu 40 MV/m, in Achtergruppen innerhalb der Beschleunigermodule rund 30 MV/m. Wie sich der Gradient zuverlässig reproduzierbar bis zum ILC-Wert steigern lässt, wird auch bei DESY intensiv studiert.

Dabei spielen sowohl der Herstellungsprozess als auch die Oberflächenbehandlung der Niob-Resonatoren eine wichtige Rolle. So erproben die DESY-Forscher und ihre internationalen Partner zum Beispiel die Methode der Elektropolitur, um die Innenseiten der Resonatoren spiegelblank zu polieren. Dadurch lassen sich Unebenheiten vermeiden, die zu einem Zusammenbruch der Supraleitung führen könnten. Eine weitere Idee ist, die Resonatoren statt aus herkömmlichem, polykristallinem Niob aus großen Niob-Kristallen oder sogar Niob-Einkristallen zu fertigen. Deren gleichmäßig ausgebildete Kristallgitter bieten deutlich weniger Angriffspunkte für Verunreinigungen, die die Leistungsfähigkeit der Resonatoren reduzieren könnten.

Beschleunigermodule auf der Testbank

Wie bei FLASH und dem European XFEL werden auch im ILC voraussichtlich je acht Resonatoren zu einem Beschleunigermodul zusammengefügt. Diese Module enthalten nicht nur die notwendige Kältetechnik, um die Resonatoren auf die erforderlichen minus 271°C zu kühlen, sondern auch zahlreiche weitere wichtige Komponenten, die alle Höchstleistungen erbringen und optimal aufeinander abgestimmt sein müssen. Dank eines neuen Teststands bei DESY können die vollständigen, 12 Meter langen Beschleunigermodule für FLASH, den European XFEL und den ILC getestet und optimiert werden, ohne sie in die FLASH-Anlage einbauen und wertvolle Nutzerzeit von FLASH für die Modulüberprüfung aufwenden zu müssen.

Eines der getesteten Module wurde beispielsweise zehnmal auf minus 271°C gekühlt und wieder auf Raumtemperatur erwärmt, um das Verhalten der Teile in seinem Inneren unter diesen extremen Bedingungen zu studieren. Denn schon kleinste Bewegungen der Komponenten aufgrund der Temperaturveränderungen können die Qualität der beschleunigten Teilchenstrahlen verschlechtern – selbst wenn es sich nur um Bruchteile eines Millimeters handelt. Weiterhin stand eine Reihe von Crash-Tests an, bei denen unterschiedliche Katastrophenszenarien – insbesondere Vakuumlecks – unter kontrollierten Bedingungen durchgespielt wurden. Ziel war es sicherzustellen, dass die Module den Bestimmungen der europäischen Druckbehälterrichtlinien entsprechen und eventuell auftretende Probleme im Falle eines Falles auf das Innere des Moduls beschränkt bleiben.

Um die Serienproduktion der Beschleunigermodule für den European XFEL und später den ILC vorzubereiten, arbeitet DESY intensiv daran, das über Jahrzehnte erworbene Wissen über den Bau der Module weiterzugeben. Schließlich wird der European XFEL 100 Module benötigen, der ILC knapp 2000. Bald müssen also Teams aus der ganzen Welt in der Lage sein, solche Module zusammenzubauen – aus jeweils 1200 Einzelteilen, die es mit höchster Präzision und unter schärfsten Reinheitsbedingungen zusammenzufügen gilt. Zahlreiche Forscher und Vertreter aus der Industrie waren deshalb bereits bei DESY, um die Montage der Module mitzuverfolgen, und dank der von DESY erstellten, hochkomplexen Bauanleitung konnte schon ein Modul bei Fermilab in den USA zusammengesetzt werden. Die Erfahrung, die DESY, die anderen Forschungszentren weltweit und die Industrie mit der beginnenden Serienfertigung der Beschleunigermodule für den European XFEL gewinnen, wird auch dem ILC entscheidend zugute kommen.