Teilchenbeschleuniger im Kleinstformat

24.11.2015

Teilchenbeschleuniger im Kleinstformat

Internationales Forschungsprojekt mit Darmstädter Beteiligung entwickelt Elektronenbeschleuniger im Mikrometerbereich

Die amerikanische Gordon and Betty Moore Foundation gab am 19. November bekannt, dass sie mit 13,5 Millionen US-Dollar die Erforschung von Laserbeschleunigern im Mikrostrukturenbereich fördert. Ziel des internationalen Kooperationsprojektes mit dem Titel „Accelerator-on-a-chip“ ist es, einen Prototyp eines miniaturisierten, lasergetriebenen Linearbeschleunigers zu entwickeln. Am Fachbereich etit werden in den nächsten fünf Jahren die elektromagnetischen Felder sowie die Teilchendynamik in diesen Mikrostrukturen erforscht.

Bis zu hundert Mikro-Elektronenbeschleuniger finden auf einem kleinen Chip Platz. Bild: H. Schmidt
Bis zu hundert Mikro-Elektronenbeschleuniger finden auf einem kleinen Chip Platz. Bild: H. Schmidt

Seit den 40er Jahren sind Teilchenbeschleuniger für die Forschung z.B. in der Physik, Medizin und Biologie essentiell wichtig. Konventionelle Beschleuniger sind jedoch nicht zuletzt aufgrund ihrer enormen Größe mit hohen Kosten und gleichzeitig mit großem Aufwand verbunden. Eine Alternative könnten in Zukunft Linearbeschleuniger im Kleinstformat sein: Diese sind nicht nur kostengünstiger, sondern durch die kleinere Bauart auch in der praktischen Anwendung sehr viel flexibler einsetzbar.

Ein solcher Mikro-Linearbeschleuniger ist deutlich kleiner als ein Millimeter. Er besteht aus einem Dielektrikum wie z.B. Quarzglas, das eine tunnelähnliche Struktur bildet. Beim Flug durch den Tunnel werden die Teilchen durch das elektrische Feld eines synchronisierten Lasers mit Rekordraten beschleunigt. Momentan funktioniert diese Methode jedoch nur für wenige Teilchen. Herausforderung des Forschungsvorhabens ist es, die Teilchenmenge in einem solchen Beschleuniger-Chip zu erhöhen, ohne unerwünschte Nebeneffekte wie störende Strahlungen oder Probleme durch die Wechselwirkung vieler Teilchen untereinander zu erzeugen.

Kleiner als ein tausendstel Millimeter ist ein Zähnchen des Mikro-Beschleunigers. Bild: U. Niedermayer
Kleiner als ein tausendstel Millimeter ist ein Zähnchen des Mikro-Beschleunigers. Bild: U. Niedermayer

Simulationsdaten aus Darmstadt

Die für die Entwicklung notwendigen Simulationen der Teilchendynamik und -fokussierung sowie der elektromagnetischen Felder in solchen Mikro-Beschleunigern werden am Fachgebiet Beschleunigerphysik, Institut für Theorie elektromagnetischer Felder (TEMF) am Fachbereich etit u.a. in Zusammenarbeit mit der Stanford Universität durchgeführt. Über den gesamten Projektzeitraum sollen hier verschiedene Strukturen und Strahlformen simuliert werden.

Für die nur wenige Millimeter großen Beschleuniger wären vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin, der physikalischen Forschung oder den Materialwissenschaften denkbar, die heute mit herkömmlichen Linearbeschleunigern kaum oder nur mit großem Aufwand realisierbar sind. Ein konkretes Beispiel: So ließe sich Magenkrebs mit Hilfe eines Endoskops direkt und zielgerichtet im inneren des Körpers bestrahlen. Für Patienten hätte eine solche Behandlung deutlich weniger unerwünschte Nebenwirkungen als die derzeit praktizierte Methode der Bestrahlung von außen.

Pressemitteilung der Gordon and Betty Moore Foundation vom 19.11.2015 (englisch)

Pressemitteilung des Deutschen Elektronen-Sychotrons in Hamburg vom 19.11.2015

Pressemitteilung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg vom 19.11.2015

Ausführliches Interview mit Herrn Dipl.-Ing. Uwe Niedermayer, Koordinator an der TU Darmstadt für das Forschungsprojekt

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