Teilchenbeschleuniger im Kleinstformat

Teilchenbeschleuniger im Mikrostrukturenbereich

Internationales Forschungsprojekt mit Darmstädter Beteiligung entwickelt Elektronenbeschleuniger im Mikrometerbereich

Teilchenbeschleuniger sind seit den 40er Jahren für die Forschung z.B. in der Physik, Medizin und Biologie essentiell. 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.

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

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.

 
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

In dem internationalen Kooperationsprojektes mit dem Titel „Accelerator-on-a-chip“ forschen Wissenschaftler an der Entwicklung eines Prototypen für den miniaturisierten, lasergetriebenen Linearbeschleunigers. Die hierfür 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. Das internationale Forschungsprojekt wird von der amerikanischen Gordon and Betty Moore Foundation mit 13,5 Millionen US-Dollar gefördert.


Hagen Schmidt