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 Rasende Elektronen unter Kontrolle
16.11.2018 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht Kometen als Wasserträger für Exoplaneten
15.11.2018 | 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: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Im Focus: UNH scientists help provide first-ever views of elusive energy explosion

Researchers at the University of New Hampshire have captured a difficult-to-view singular event involving "magnetic reconnection"--the process by which sparse particles and energy around Earth collide producing a quick but mighty explosion--in the Earth's magnetotail, the magnetic environment that trails behind the planet.

Magnetic reconnection has remained a bit of a mystery to scientists. They know it exists and have documented the effects that the energy explosions can...

Im Focus: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Im Focus: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kalikokrebse: Erste Fachtagung zu hochinvasiver Tierart

16.11.2018 | Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

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

Mikroplastik in Kosmetik

16.11.2018 | Studien Analysen

Neue Materialien – Wie Polymerpelze selbstorganisiert wachsen

16.11.2018 | Materialwissenschaften

Anomale Kristalle: ein Schlüssel zu atomaren Strukturen von Schmelzen im Erdinneren

16.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

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