Forscher steigern Energieeffizienz von Teilchenbeschleunigern

Darmstadt – In Teilchenbeschleuniger-Anlagen werden elektrisch geladene Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Diese Anlagen sind von hoher Bedeutung für die physikalische Grundlagenforschung, doch auch der Energiebedarf beim Betrieb ist enorm. Das wird sich in Zukunft ändern.

An der TU Darmstadt ist jetzt der weltweit erste Betrieb eines supraleitenden Linearbeschleunigers mit zweifacher Energie-Rückgewinnung gelungen. Das Experiment am Elektronen-Linearbeschleuniger der Universität (S-DALINAC) wies nach, dass eine extreme Einsparung von Beschleunigerleistung möglich ist.

Enormer Energiebedarf: Hochkomplexe Anlagen zur Beschleunigung von Teilchen
Der Betrieb von Teilchenbeschleuniger-Anlagen mit höheren Strahlströmen und verbesserter Strahlqualität stößt inzwischen an technologische und ökonomische Grenzen. Elektronenstrahlen höchster Energie und Intensität müssen jedoch für die zukünftige Forschung bereitgestellt werden, etwa auf dem Gebiet der Teilchenphysik an der europäischen Großforschungseinrichtung CERN, aber auch um Innovationen in der Medizin und Industrie voranzutreiben. Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet nun das Konzept eines Energie-rückgewinnenden Linearbeschleunigers (Energy Recovery Linac) – in ihm wird die nach der wissenschaftlichen oder technischen Nutzung im Strahl verbleibende Energie zurückgewonnen und zur Beschleunigung weiterer Teilchen verwendet.

Effizienz-Durchbruch an der TU Darmstadt – einmal nahezu Lichtgeschwindigkeit und wieder zurück
Die jüngst erfolgreiche Demonstration eines Energie-rückgewinnenden Linearbeschleunigers an der TU Darmstadt ist ein Meilenstein: erstmals ist dort der supraleitende Elektronen-Linearbeschleuniger S-DALINAC im zweifach Energie-rückgewinnenden Modus betrieben worden. Dabei wurde der Elektronenstrahl in zwei sequentiellen Passagen durch den Hauptbeschleuniger auf eine Geschwindigkeit von 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit im Wechselwirkungspunkt beschleunigt, um anschließend bei zwei weiteren Durchflügen im Hauptbeschleuniger auf die ursprüngliche Einschussenergie abgebremst zu werden.

Es wurden Strahlströme von bis zu 8 Mikroampere bei Energien von bis zu 41 Megaelektronenvolt erzielt. Durch das anschließende Abbremsen konnten mehr als 80 Prozent der benötigten Beschleunigungsleistung eingespart werden.

Die Forschung auf dem Gebiet der mehrfach-rezirkulierenden ERLs wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Graduiertenkolleg „AccelencE“ und durch das Hessische Ministerium für Wissenschaft und Kunst im Rahmen des Clusterprojekts „Elements“.

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