Halbleitertechnik für Teilchenbeschleuniger
Siliziumkarbid verspricht eine neue, kostengünstigere Beschleuniger-Technologie.
Teilchenbeschleuniger werden oft mit Großlaboren wie CERN oder DESY in Verbindung gebracht. Dabei sind die meisten der weltweit etwa 30.000 Geräte in Kliniken und in der Industrie zu finden. Hochenergetische Strahlen aus Neutronen, Protonen und anderen Ionen benötigt man zum Beispiel in der medizinischen Strahlentherapie oder in der Industrie zur Materialbearbeitung. Herzstück des Beschleunigers ist ein Hochfrequenz-Generator, der hohe Spannungen mit mehreren hundert Megahertz erzeugt. Heute basieren die Generatoren auf Elektronenröhren, die aufwändig mit Hochspannung versorgt werden müssen und maximal 60 Prozent Wirkungsgrad erreichen.
Abb.: Solche Transistoren aus Siliziumkarbid schaffen fünf Kilowatt Leistung auf nur sechs Quadratmillimeter Fläche – eine ähnlich leistungsfähige Elektronenröhre würde ein Volumen von rund zehn Litern benötigen. (Bild: Siemens)
Um effizienter zu werden, setzen die CT-Forscher auf Halbleitertransistoren aus Siliziumkarbid. Diese Bauteile arbeiten bei sehr hohen Frequenzen, verkraften hohe Leistungen und bieten 70 Prozent Wirkungsgrad. Ein Transistor mit mehreren Kilowatt Leistung und ist gut hundertmal kleiner als eine vergleichbare Elektronenröhre. Heute erreichen Module aus mehreren Transistoren 160 Kilowatt Leistung bei einer Frequenz von 324 Megahertz. Das entspricht in etwa den Anforderungen für Industrie und Medizin. Im nächsten Schritt sollen Einheiten mit rund drei Megawatt Leistung entstehen, die auch für die Wissenschaft geeignet wären. Die Forscher nutzen die Halbleitertechnik außerdem, um kostengünstige, standardisierte und nach Bedarf kombinierbare Schaltschränke für den Antrieb von Beschleunigern zu entwickeln. Ein erster Prototyp soll noch 2013 fertig werden.
Die globale Siemens-Forschung Corporate Technology (CT) entwickelt ihn in seiner strategischen Partnerschaft mit dem russischen Forschungszentrum Skolkovo nahe Moskau. Weitere Projektpartner sind das Budker-Institut für Nuklearphysik in Novosibirsk, das Institut für theoretische und Experimentalphysik in Moskau, die Goethe-Universität Frankfurt am Main und die Gesellschaft für Schwerionenforschung GSI in Darmstadt.
Siemens / OD
