22.11.2018

Ultrakompakte Beschleuniger für Wissenschaft und medizinische Forschung

ATHENA eröffnet Zugang zu plasmabasierten Beschleunigern.

Neuartige, kompakte Teilchen­be­schleu­niger für Anwen­dungen in Wissen­schaft und medizinischer Forschung zu entwickeln, ist Ziel der neuen Forschungs- und Ent­wicklungs­plattform für Beschleu­niger­techno­logien „Accelerator Technology HElmholtz iNfrAstructure” (ATHENA). Die Plattform ist eine Zusammen­arbeit von sechs Helmholtz-Zentren, darunter das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Die Helmholtz-Gemein­schaft fördert das Projekt als strategische Ausbau­maß­nahme mit 29,99 Millionen Euro.

Abb.: Der Linear­beschleuniger FLUTE ist ein Beispiel für die kompakten und flexiblen Be­schleu­niger­anlagen am KIT. (Foto: Markus Breig, KIT)

Der größte und bekannteste Teilchen­be­schleu­niger der Welt, der 27 Kilometer lange Large Hadron Collider, befindet sich am CERN in der Schweiz. Mit ihm erforschen Wissen­schaftler­innen und Wissen­schaftler den Aufbau der Materie. Neben ihrer heraus­ragenden Bedeutung für die physi­kalische Grundlagen­forschung eröffnen Be­schleu­niger aber noch zahl­reiche weitere Anwendungs­möglichkeiten, von der Pro­duktions­technik bis hin zum medizi­nischen Einsatz, beispiels­weise in der Tumor­therapie oder Diagnostik. Allerdings sind heutige Beschleu­niger­anlagen in Aufbau und Betrieb kosten­intensiv. Wären leis­tungs­starke Be­schleu­niger deutlich kleiner, könnte diese Techno­logie viel häufiger zum Einsatz kommen. Ziel der Forschung am KIT ist es daher auch, erste Anwen­dungen ultra­kompakter Beschleu­niger­systeme in den Lebens- und Material­wissenschaften technol­ogisch zu ermöglichen. Dafür erhält das KIT einen Förder­anteil von 4,5 Millionen Euro von der neuen Forschungs- und Entwicklungs­plattform für Beschleuniger­technologien ATHENA. „Für die Karlsruher Wissen­schaftlerinnen und Wissen­schaftler eröffnet ATHENA den Zugang zu plasma­basierten Beschleu­nigern. Das passt ideal zur Beschleu­niger­forschung am Standort KIT, wo wir das Ziel verfolgen, diese Techno­logie auf breiter Basis für die Gesell­schaft zu erschließen“, sagt der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka.

Insbesondere die Speicherung ultrakurzer Elektronen­pakete in einem eigens dafür geplanten Elektronen­speicherring sei eine heraus­ragende Anwendung dieser neuen Technologie, so die leitende Beschleu­niger­physikerin am KIT, Professorin Anke-Susanne Müller. Diese erlaube das Erhöhen der nutzbaren Licht­puls­raten um einen Faktor von einer Million für Anwen­dungen von Terahertz­strahlung in der Medizin und in den Material­wissen­schaften. Außerdem spare dieses Vorgehen Energie, da gespeicherte Elektronen längere Zeit nutzbar seien. „Im Bereich der Diagnose von Beschleuniger­signalen mit hoher Wieder­holrate erweitern wir regelmäßig die Grenzen des physikalisch und techno­logisch Machbaren und unter­stützen bereits heute unsere Partner in der Helmholtz-Gemein­schaft sowie in Zukunft auch innerhalb von ATHENA mit unseren Techno­logien“, fügt Dr. Erik Bründermann, Projekt­leiter des ATHENA-Teil­projektes am KIT, hinzu.

Der Linear­beschleu­niger FLUTE, der im Juli 2017 in Karlsruhe in Betrieb ging, ist mit seinen knapp zwölf Metern ein Beispiel für die kompakten und flexiblen Beschleu­niger­anlagen am KIT. Durch das Projekt soll sich die Beschleu­nigungsstrecke in Zukunft aber noch weiter reduzieren – diese allein könnte zu­künftig auf die Größe weniger Zenti­meter schrumpfen.

Abb.: Die sieben an dem Projekt beteiligten Beschleu­niger­zentren der Helmholtz-Gemeinschaft umfassen, neben KIT, DESY und HZDR, das Forschungs­zentrum Jülich, das Helmholtz-Zentrum Berlin, das GSI Helmholtz­zentrum für Schwer­ionen­forschung in Darmstadt sowie das Helmholtz-Institut Jena. (Bild: Helmholz Gemeinschaft / DESY)

Koordiniert vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) wollen die an ATHENA beteiligten Helmholtz-Zentren außerdem zwei deutsche Leucht­turm­projekte der Be­schleu­niger­forschung auf Grundlage innovativer plasma­basierter Teil­chen­be­schleu­niger und hoch­moderner Laser­technologie aufbauen: beim DESY in Hamburg eine Elek­tronen- und am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) eine Hadronen-Be­schleu­niger­anlage. An beiden Anlagen sollen verschie­dene Einsatz­gebiete entwickelt werden, die von einem kompakten Freie-Elektronen-Laser über innovative medizinische Anwen­dungen bis hin zu neuen Einsatz­möglichkeiten in Kern- und Teilchen­physik reichen. Sobald die Nutzungs­reife in einem Gebiet erreicht worden ist, könnten neue, kompakte Anlagen in anderen Helmholtz-Zentren, aber auch an Universi­täten und Kranken­häusern aufgebaut werden.

Die ATHENA-Arbeiten sind durch die EU-geförderte Design­studie EuPRAXIA mit ihren 40 Partner­instituten, ebenfalls durch DESY koordiniert, eng in die euro­päische Forschungs­landschaft eingebettet. Damit hat das deutsche Spitzen­forschungs­projekt ATHENA von Beginn an auch eine klare euro­päische Perspektive und Ausrichtung.

KIT / LK

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