Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017

Forschende der ETH Zürich entwickelten im Auftrag des Cern ein Hightech-Gerät zur Erzeugung von sehr präzisen Hochspannungspulsen. Es könnte in der nächsten Generation von Teilchenbeschleunigern zum Einsatz kommen.

Die bekannteste Anwendung von Hochspannungspulsen ist wohl die in elektrischen Weidezäunen. Doch auch Teilchenbeschleuniger an Grossforschungsanlagen wie dem Cern in Genf sind auf Hochspannungspuls-Generatoren angewiesen – solche, die im Unterschied zu Weidezaungeräten Pulse mit sehr viel höherer Energie und höherer Spannung erzeugen.


Postdoc Sebastian Blume hat den Pulsgenerator während seiner Doktorarbeit massgeblich mitentwickelt. (Bild: ETH Zürich / Peter Rüegg)


Genf, der Genfersee und der sich in Betrieb befindliche Teilchenbeschleuniger LHC am Cern. In gestrichelten Linien sind die möglichen zukünftigen Teilchenbeschleuniger Clic und FCC dargestellt. (Karte: Google Earth)

Am Cern laufen derzeit die Vorarbeiten für das nächste Grossforschungsprojekt ab 2025. Einer von zwei Projektkandidaten ist der Bau eines 50 Kilometer langen Linearbeschleunigers in einem Tunnel, der von Nyon bis zum Rhone-Durchbruch bei Bellegarde in Frankreich reichen soll (Projekt Clic, siehe Kasten). Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Cern entwickelten Forschende der ETH Zürich einen für diesen Beschleuniger benötigten Pulsgenerator. Vor wenigen Tagen lieferten sie ihren Prototypen ans Cern. Dort wird er nun auf Herz und Nieren geprüft.

Der rund drei Kubikmeter grosse Pulsgenerator erzeugt aus der 400-Volt-Spannung des öffentlichen Stromnetzes Pulse von 180‘000 Volt, die exakt 140 Millionstelsekunden dauern. Damit das öffentliche Stromnetz gleichmässig belastet und nicht durch Pulsspitzen gestört wird, werden im Innern des Pulsgenerators 8 grosse und beinahe 200 kleine Kondensatoren (Zwischenspeicher) kontinuierlich geladen und dann 50 mal pro Sekunde entladen. Ein speziell entwickelter Transformator sorgt dafür, dass die gewünschte Ausgangsspannung möglichst schnell und effizient erreicht wird.

Mehrere Hundert Beschleunigungsstufen

Im möglichen zukünftigen Cern-Grossforschungsprojekt werden Elektronen und Positronen (Elektron-Antiteilchen) beschleunigt. «Diese Beschleunigung geschieht in einem Klystron. Dieses Gerät ist auf die Hochspannungspulse angewiesen, die unser Pulsgenerator liefert», erklärt Jürgen Biela, Professor für Hochleistungselektronik an der ETH Zürich. In einem Klystron werden die 140 Mikrosekunden dauernden Pulse genutzt, um daraus ein sehr hochfrequentes Wechselfeld zu erzeugen. Und in diesem Wechselfeld werden Elektronen beziehungsweise Positronen beschleunigt.

Falls der Clic-Beschleuniger gebaut wird, braucht es dafür über tausend Klystrone, um Elektronen und Positronen stufenweise bis auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Jedes Klystron würde von einem eigenen Pulsgenerator gespeist.

Echtzeitmessung für maximale Effizienz

Zu den grössten Herausforderungen für die ETH-Wissenschaftler gehörte, den Pulsgenerator so zu bauen, dass die erzeugten Pulse alle exakt gleich lang und ihre Spannung mit einer relativen Toleranz von bloss einem Hundertausendstel gleich hoch sind. Ausserdem war es eine Vorgabe des Cern, dass bei einem Puls die Spannung extrem schnell von 0 Volt auf 180‘000 Volt und später wieder zurück springt. Um dies zu erreichen, misst das Gerät den Stromfluss hunderttausend Mal pro Sekunde und steuert ihn in Echtzeit.

«Bei einem langsameren Pulssprung würde mehr ungenutzte Leistung an das Klystron übertagen, was die Energieeffizienz des Pulsgenerators schmälern würde», erklärt Sebastian Blume. Er war im Rahmen seiner Doktorarbeit in Bielas Labor massgeblich an der Entwicklung des Pulsgenerators beteiligt. Die Effizienz ist nur schon daher zentral, weil es um verhältnismässig hohe Energiemengen geht: Ein Pulsgenerator hat eine mehr als hundertmal höhere Leistung als eine Waschmaschine oder ein grosser Staubsauger.
Bereits an der Entwicklung der Pulsgeneratoren für SwissFEL, der vor wenigen Monaten eingeweihten Synchrotron-Strahlungsquelle am Paul-Scherrer-Institut, war ETH-Professor Biela massgeblich beteiligt. Dies im Rahmen eines gemeinsamen Projekts mit der Schweizer Elektrotechnikfirma Ampegon.

[Kasten:]
Linearbeschleuniger oder grösserer Ringbeschleuniger?

Der Teilchenbeschneuniger LHC (Large Hadron Collider) am Cern wird voraussichtlich noch bis 2035 oder 2040 betrieben. Für die Zeit danach werden derzeit zwei mögliche Grossforschungsprogramme diskutiert, die in Konkurrenz zueinander stehen. Welches davon umgesetzt wird, entscheidet das Cern voraussichtlich innerhalb der nächsten drei Jahre.

Beim Projekt Clic (Compact Linear Collider) sollen in einem 50 Kilometer langen Tunnel werden von einem Ende Elektronen und vom anderen Ende Positronen zur Tunnelmitte hin beschleunigt und dort miteinander zur Kollision gebracht. Mit einem solchen Linearbeschleuniger können Elementarteilchen wie das Higgs-Boson sehr viel genauer vermessen werden als dies mit dem LHC derzeit möglich ist oder mit zweiten diskutierten Zukunftsprojekt FCC (Future Circular Collider) möglich würde.
Bei letzterem steht ein Beschleunigerring mit einem Umfang von 80 bis 100 Kilometern zur Diskussion. Zum Vergleich: Der LHC hat einen Umfang von 27 Kilometern. Mit dem FCC würde man eine siebenmal höhere Kollisionsenergie erreichen als mit dem LHC. Er hätte gegenüber Clic den Vorteil, dass man damit besser neue grundlegende Effekte und Teilchen entdecken könnte.

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2017/05/teilchenbe...

Hochschulkommunikation | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Vorstoß ins Innere der Atome
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Quanten-Wiederkehr: Alles wird wieder wie früher
23.02.2018 | Technische Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics