Beschleuniger

Von den schnellen Teilchen profitieren die unterschiedlichsten Forschungsdisziplinen: In der Teilchenphysik werden sie zur Kollision gebracht, um die kleinsten Bausteine der Materie zu studieren. In Chemie, Materialwissenschaften und Biologie wird die von Beschleunigern erzeugte, hellste Röntgenstrahlung der Welt genutzt, um verschiedene Materialien zu untersuchen, von Flugzeugturbinen über Halbleiter für Mikrochips bis hin zu lebenswichtigen Proteinen. In der medizinischen Forschung werden Beschleuniger für die Krebstherapie eingesetzt – mit den energiereichen Teilchenstrahlen lassen sich Tumore gezielt zerstören.

Zwar funktionieren alle Beschleuniger nach demselben Prinzip: Starke elektromagnetische Wellen bringen die Teilchen auf Trab, wuchtige Magnete halten sie auf ihrer Bahn. Doch je nach Einsatzfeld variiert die Technik. Für die Teilchenphysik müssen Beschleunigeranlagen den Teilchen möglichst viel Energie verleihen. Nur dann lassen sich die Urbausteine der Materie erzeugen und analysieren. Dagegen muss ein Beschleuniger, der als Lichtquelle fungiert, die Teilchen dazu bringen, extrem kurze und intensive Röntgenblitze auszusenden.

Beschleunigerzentrum der Spitzenklasse

Mit über 65 Jahren Erfahrung auf beiden Gebieten gehört DESY zu den weltweit führenden Beschleunigerzentren. Die Anlagen, die DESY entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf höchste Energien und öffnen neue Fenster ins Universum. Solche hochkomplexen Hightech-Anlagen an den Grenzen des technisch Machbaren zu entwerfen, zu bauen und jahrzehntelang erfolgreich zu betreiben, ist nur mit den vereinten Kräften zahlreicher Fachleute aus unterschiedlichen Spezialgebieten möglich. Bei DESY arbeiten deshalb über 700 Menschen an der Entwicklung, dem Bau und dem Betrieb von Beschleunigern, in enger Zusammenarbeit mit Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industriefirmen in Deutschland und weltweit.

Wegweisende supraleitende Beschleunigertechnologie

Ihre Top-Position auf der Weltrangliste der Beschleunigerzentren können die DESY-Expertinnen und -Experten nur ausbauen, indem sie immer wieder in technologisches Neuland vordringen. Mit der supraleitenden TESLA-Technologie hat DESY gemeinsam mit internationalen Partnern ein wegweisendes Beschleunigerkonzept entwickelt, auf dem heute zwei Großgeräte in der Metropolregion Hamburg basieren: der Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY und der Röntgenlaser European XFEL, die derzeit brillanteste Röntgenquelle der Welt. Dank der supraleitenden Technologie sind die Wiederholrate der Röntgenblitze und damit die mittlere Brillanz des European XFEL um Größenordnungen höher als bei anderen, normalleitenden Anlagen dieser Art.

Hightech auf die Spitze getrieben

Um sich an der Spitze der weltweiten Forschung mit Photonen zu behaupten, plant DESY den Ausbau der heutigen Röntgenquelle PETRA III zum 4D-Röntgenmikroskop PETRA IV, der weltweit hellsten Synchrotronstrahlungsquelle der vierten Generation, die neue Einblicke in die Nanowelt eröffnen wird. Dazu soll die Anlage zu einem so genannten beugungsbegrenzten Speicherring ausgebaut werden – die ultimative physikalische Grenze für diese Art von Lichtquelle. Auch der Freie-Elektronen-Laser FLASH wird im Projekt FLASH2020+ weiter optimiert. Gemeinsam mit European XFEL arbeitet DESY an der Weiterentwicklung des Röntgenlasers und seines Beschleunigers, unter anderem um die Zahl der Röntgenblitze von 27 000 auf bis zu eine Million pro Sekunde zu erhöhen.

Beschleuniger der Zukunft

DESY ist einer der Vorreiter der Plasmabeschleunigung – eines revolutionären Beschleunigerkonzepts, das bis zu tausendmal höhere Beschleunigungsfelder ermöglicht als die herkömmliche Technologie. Es verspricht damit eine neue Generation leistungsfähiger Teilchenbeschleuniger, die wesentlich kompakter gebaut werden können als heutige Anlagen und diese in Forschung, Medizin und Industrie ergänzen könnten. Bei Plasmabeschleunigern erzeugt ein Laser- oder Teilchenstrahl in einem Plasma eine geladene Welle, die die nachfolgenden Teilchen beschleunigt. Mit den Anlagen LUX und KALDERA für die lasergetriebene Plasmabeschleunigung und FLASHForward für die elektronenstrahlgetriebene Variante leistet DESY Pionierarbeit auf beiden Gebieten mit dem Ziel, ausgereifte Plasmabeschleuniger zu realisieren, die in Zukunft in den DESY-Forschungsbereichen eingesetzt werden könnten.

Ergänzend zu diesen Hauptaktivitäten treibt DESY die Grenzen der Beschleunigertechnologie mit verschiedenen weiteren Anlagen voran. Der Linearbeschleuniger ARES ermöglicht Beschleunigerforschung mit ultrakurzen Elektronenpaketen für medizinische Zwecke sowie die Entwicklung von autonomen Beschleunigerverfahren. Die Anlage AXSIS dient der Erforschung von Beschleunigung mittels Terahertz-Wellen und ihren Anwendungen. Bei REGAE wird die Erzeugung von ultrakurzen Elektronenpaketen vorangetrieben mit dem Ziel, zeitaufgelöste Beugungsexperimente an verschiedenen Materialien durchzuführen. In Zeuthen betreibt DESY den Linearbeschleuniger PITZ, an dem Elektronenquellen für die Röntgenlaser der Zukunft entwickelt werden.