Teilchenbeschleuniger im Kleinstformat

Internationales Forschungsprojekt mit Darmstädter Beteiligung entwickelt Elektronenbeschleuniger im Mikrometerbereich

2015/11/24 von

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.

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

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

Herr Niedermayer, Sie werden am Fachbereich etit in einem internationalen Forschungsprojekt mitarbeiten. Der Titel lautet „Laser Accelerators on a chip.“ Können Sie uns verraten, welches Thema sich hinter diesen Namen verbirgt?

Es handelt sich dabei um extrem kleine Linearbeschleuniger: Mit Hilfe von Techniken aus der Halbleiterherstellung sollen Strukturen aus einem Dielektrium, z.B. Quarzglas, gefertigt werden. Die Größe der Strukturen ist im Mikrometerbereich, sodass zum nichtresonanten Antreiben ein optischer oder infrarot Laser verwendet werden kann (Daher der Name Dielectric Laser Acceleration (DLA)). Ein solcher Beschleunigerchip funktioniert vereinfacht dargestellt so: Die Struktur des Dielektrikums kann man sich wie einen Tunnel mit vielen Zähnchen und Zwischenräumen vorstellen. Durch diese Struktur wird von einem Laser ein elektrisches Feld erzeugt. Fliegen nun Teilchen durch den Tunnel, werden sie durch das sie umgebende elektrische Feld beschleunigt – und das mit Rekordraten.

Welche Vorteile verspricht man sich von der Erforschung von DLAs?

Wenn DLA Beschleuniger ausgereift sind, stellen sie eine kostengünstige Alternative zu konventionellen Elektronenbeschleunigern dar. Ein Vorteil ist auch die kleine Baugröße, die ganz neue Anwendungsbereiche ermöglicht. Eine spezielle Anwendung wäre zum Beispiel ein Beschleuniger, den man in ein Endoskop einbauen kann, um damit direkt z.B. Magenkrebs zu bestrahlen.

Welche Erkenntnisse versprechen Sie sich konkret aus diesem Forschungsprojekt?

Bisher wurde erst gezeigt, dass DLA prinzipiell funktioniert. Die erreichten Strahlintensitäten sind jedoch extrem klein. Um einen praktisch verwendbaren Beschleuniger zu erhalten, muss die Intensität deutlich erhöht werden. Dazu müssen u.a. Fokussierstrukturen im Mikrometerbereich entwickelt werden. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts soll ein vollständiger Minibeschleuniger entwickelt werden, d.h. ein integriertes System von der Elektronenquelle bis zu den zu annähernder Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Elektronen.

Wie wird Ihre Aufgabe konkret aussehen – welchen Teil steuern Sie dazu bei?

Ich plane zum Thema DLA eine Arbeitsgruppe aufzubauen, die sich mit der Simulation der elektromagnetischen Felder sowie der Teilchendynamik in einer solchen Mikrostruktur beschäftigt. Das Ziel ist, theoretische Intensitätsgrenzen anzugeben, sowie in Zusammenarbeit mit unseren Partnern sicherzustellen, dass diese auch experimentell erreicht werden.

Mit welchen Partnern werden Sie im Rahmen dieses Forschungsprojektes zusammenarbeiten?

Wir werden von der Gordon & Betty Moore Foundation finanziert. Gordon Moore hat zusammen mit Andy Grove und Robert Noyce die Firma Intel im Jahre 1968 gegründet. Er ist auch bekannt für das „Moore’sche Gesetz“, welches besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip ca. alle zwei Jahre verdoppelt. Die Moore Foundation finanziert direkt die Stanford University, welche die Mittel an „sub-contractors“ wie die TU Darmstadt weitergibt. Wir werden mit der Stanford University sowie mit der FAU Erlangen auf den theoretischen Gebieten sowie auf dem Gebiet der Elektronenquellen und der Beschleunigung nicht-relativistischer Elektronen zusammenarbeiten. Die Experimente zur Beschleunigung relativistischer Elektronen sollen am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in Kalifornien, am Deutschen Elektronen-Synchotron (DESY) in Hamburg, sowie am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in der Schweiz durchgeführt werden.

Wie wird die konkrete Zusammenarbeit mit ihren Kollegen weltweit aussehen? Wie verläuft hier der Arbeitsprozess?

Wir planen uns zweimal jährlich persönlich zu treffen. Einmal in Europa und einmal in den USA. Weiterhin werden wir auch häufiger Videokonferenzen durchführen. Speziell mit den Kollegen, die sich mit Simulationen beschäftigen, planen wir uns monatlich per Videokonferenz zu treffen. In diesen Treffen sollen Ergebnisse präsentiert und Probleme diskutiert werden. Es werden sich aber wohl nicht alle Fragen per Videokonferenz klären lassen können, so dass ich in den nächsten fünf Jahren wohl auch das eine oder andere Mal bei den Forschungspartnern sein werde.

Wo liegt die Herausforderung bei diesem Forschungsprojekt? Welche Probleme könnten auftreten?

Das Projekt ist im Allgemeinen schon eher ein Vorhaben der Grundlagenforschung, das heißt, wir können jetzt am Beginn des Projektes noch nicht ganz abschätzen, zu welchen Ergebnissen wir kommen werden. Momentan können wir noch nicht sicher sagen, ob die theoretischen Intensitätsgrenzen, die wir ja bestimmen möchten, für praktische Zwecke ausreichen werden. Aber ich bin da sehr optimistisch. Eventuell ergeben sich auch ganz neue Anwendungen, deren Anforderungen genau auf unsere Teilchenstrahlparameter passen.

Und was versprechen Sie sich ganz persönlich von diesem Forschungsprojekt?

Eines Tages einen kostengünstigen Teilchenbeschleuniger mit einer Vielzahl an praktischen Anwendungsmöglichkeiten. Und darüber hinaus würde ich mich natürlich auch freuen, wenn ich Studierende z.B. für ihre Master-Thesis in diesem Themengebiet begeistern könnte.

Uwe Niedermayer vom Fachgebiet Beschleunigerphysik koordiniert an der TU Darmstadt das Forschungsprojekt „Accelerator-on-a-chip“. Bild: Hagen Schmidt