Effiziente Halbleitertechnik für Teilchenbeschleuniger

Damit sollen die Kosten für Teilchenbeschleuniger sinken, wie die Forschungszeitschrift Pictures of the Future in ihrer aktuellen Ausgabe berichtet. Weitere Projektpartner sind das Budker-Institut für Nuklearphysik in Novosibirsk, das Institut für theoretische und Experimentalphysik in Moskau, die Universität Frankfurt am Main und die Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Hochenergetische Strahlen aus Neutronen, Protonen und anderen Ionen benötigt man zum Beispiel in der medizinischen Strahlentherapie oder in der Industrie zur Materialbearbeitung. Die hohen Spannungen zur Beschleunigung der Teilchen werden von Hochfrequenz-Generatoren erzeugt. Mit Hilfe neuer Halbleiter-Bauelemente können die Siemens-Forscher die Effizienz dieser Generatoren jedoch erheblich steigern. Zudem ist die neue Technik kleiner und günstiger in Anschaffung und Betrieb.

Teilchenbeschleuniger werden oft mit Großlaboren wie CERN oder DESY in Verbindung gebracht. Dabei sind die meisten der weltweit etwa 30.000 Geräte in Kliniken und in der Industrie zu finden. Herzstück des Beschleunigers ist ein Hochfrequenz-Generator, der hohe Spannungen mit mehreren hundert Megahertz erzeugt. Heute basieren die Generatoren auf Elektronenröhren, die aufwändig mit Hochspannung versorgt werden müssen und maximal 60 Prozent Wirkungsgrad erreichen.

Um effizienter zu werden, setzen die CT-Forscher auf Halbleitertransistoren aus Siliziumkarbid. Diese Bauteile arbeiten bei sehr hohen Frequenzen, verkraften hohe Leistungen und bieten 70 Prozent Wirkungsgrad. Ein Transistor mit mehreren Kilowatt Leistung und ist gut hundertmal kleiner als eine vergleichbare Elektronenröhre. Heute erreichen Module aus mehreren Transistoren 160 Kilowatt Leistung bei einer Frequenz von 324 Megahertz.

Das entspricht in etwa den Anforderungen für Industrie und Medizin. Im nächsten Schritt sollen Einheiten mit rund drei Megawatt Leistung entstehen, die auch für die Wissenschaft geeignet wären. Die Forscher nutzen die Halbleitertechnik außerdem, um kostengünstige, standardisierte und nach Bedarf kombinierbare Schaltschränke für den Antrieb von Beschleunigern zu entwickeln. Ein erster Prototyp soll noch 2013 fertig werden. (IN 2013.04.5)