Lasertechnik als Grundlage 26.11.2018, 14:22 Uhr

Teilchenbeschleuniger auf einem Mikrochip

Elektrotechniker an der TU Darmstadt haben ein Konzept für einen winzigen, lasergetriebenen Elektronenbeschleuniger entwickelt. Anwendungen in der Medizin und in der Industrie sind denkbar.

Darstellung Prinzip Beschleunigerchip

So klein soll der neue Teilchenbeschleuniger sein. Entsprechend kostengünstig ließe er sich in großen Stückzahlen herstellen.

Foto: Hagen Schmidt / Andrew Ceballos

Kleiner, leichter, günstiger: In der Elektrotechnik können sich ganz neue Möglichkeiten eröffnen, wenn Wissenschaftler für alt bekannte Verfahren innovative Wege der Umsetzung finden. Ein gutes Beispiel sind Teilchenbeschleuniger. Normalerweise sind sie groß und teuer. An der Technischen Universität Darmstadt haben Forscher jedoch ein Konzept entwickelt, bei dem sie das Funktionsprinzip übernehmen, dafür aber andere Komponenten verwenden. Das Ergebnis soll ein Elektronenbeschleuniger sein, der auf einen Mikrochip aus Silizium passt. Ein internationales Konsortium will das Design nun in die Praxis übertragen.

Teilchenbeschleuniger sind für vielfältige Anwendungsgebiete von Bedeutung. Das fängt an bei einer Einrichtung wie CERN in Genf, wo mithilfe riesiger Teilchenbeschleuniger Grundlagenforschung betrieben wird. Aber auch in kleinerem Rahmen, etwa für die Materialforschung in der Industrie, sind sie unverzichtbar. Einen großen Stellenwert haben sie zudem für die moderne Medizin, wo sie beispielsweise die Grundlage für die konventionelle Strahlentherapie bilden. Sollte es gelingen, Teilchenbeschleuniger tatsächlich in Chip-Größe herzustellen, wäre die Entwicklung weiterer Verfahren in Sicht. Solch eine Verkleinerung gilt als sehr viel versprechend und wird daher von der amerikanischen Gordon-and-Betty-Moore-Stiftung gezielt gefördert. Von dem entsprechenden Programm – Accelerator on a Chip International Program (AchIP) – profitieren auch die Darmstädter Wissenschaftler.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Stadtbetrieb Wetter (Ruhr)-Firmenlogo
Bauingenieur/in (m/w/d) Fachrichtung Tiefbau / Straßenbau Stadtbetrieb Wetter (Ruhr)
Wetter (Ruhr) Zum Job 
Stadtwerke München GmbH-Firmenlogo
Brandschutzbeauftragte*r mit Zusatzfunktionen Tram (m/w/d) Stadtwerke München GmbH
München Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Planungsingenieur (w/m/d) Streckenplanung Die Autobahn GmbH des Bundes
Uwe Wenzel WW-Personalkonzepte e.K.-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur (m/w/d) Wärmepumpensysteme und Regelungen Uwe Wenzel WW-Personalkonzepte e.K.
Großraum Hamburg Zum Job 
Landeshauptstadt München-Firmenlogo
Verkehrsingenieur*innen für die Verkehrswende (w/m/d) Landeshauptstadt München
München Zum Job 
Framatome-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) für nukleare Entsorgung Framatome
Karlstein am Main, Erlangen Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur als Bauwerksprüfer (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Berliner Stadtreinigungsbetriebe (BSR)-Firmenlogo
Projektingenieurin / Projektingenieur (w/m/d) Verfahrenstechnik Berliner Stadtreinigungsbetriebe (BSR)
Technische Universität Graz-Firmenlogo
Universitätsprofessur für Nachhaltige Antriebssysteme und angewandte Thermodynamik (m/w/d) Technische Universität Graz
Graz (Österreich) Zum Job 
Berliner Stadtreinigungsbetriebe (BSR)-Firmenlogo
Projektingenieurin / Projektingenieur (w/m/d) Elektrotechnik Berliner Stadtreinigungsbetriebe (BSR)
Lübeck Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
(Umwelt-)Ingenieur (w/m/d) für Boden, Abfall, Altlasten und Georisiken Die Autobahn GmbH des Bundes
Nürnberg Zum Job 
Fuest Familienstiftung-Firmenlogo
Bauzeichner, Bautechniker oder Innenarchitekt (m/w/d) Fuest Familienstiftung
Timm Technology GmbH-Firmenlogo
Sales Manager / Vertriebsingenieur (m/w/d) Timm Technology GmbH
Reinbek Zum Job 
Caljan GmbH-Firmenlogo
Maschinenbauingenieur / Konstrukteur Sondermaschinenbau (m/w/d) Caljan GmbH
Halle (Westfalen) Zum Job 
Stadtwerke München GmbH-Firmenlogo
(Senior) Projektmanager*in Niederspannung (m/w/d) Stadtwerke München GmbH
München Zum Job 
DFS Deutsche Flugsicherung GmbH-Firmenlogo
Ingenieur* Produktmanagement für Navigationsdienste DFS Deutsche Flugsicherung GmbH
Langen (Hessen) Zum Job 
VAHLE-Firmenlogo
Ingenieur Automatisierungs- und Steuerungstechnik (m/w/d) VAHLE
Kamen, Großraum Dortmund Zum Job 
Grünecker Patent- und Rechtsanwälte PartG mbB-Firmenlogo
Patentingenieur (m/w/d) der Fachrichtung Physik und/oder Elektrotechnik mit der Möglichkeit zur Ausbildung zum "European Patent Attorney (m/w/d/)" Grünecker Patent- und Rechtsanwälte PartG mbB
München Zum Job 
DFS Deutsche Flugsicherung GmbH-Firmenlogo
Flugsicherungsingenieur (w/m/d) DFS Deutsche Flugsicherung GmbH
Grünecker Patent- und Rechtsanwälte PartG mbB-Firmenlogo
Europäischer Patentanwalt (m/w/d) der Fachrichtung Physik, Informatik, Elektrotechnik oder Nachrichtentechnik Grünecker Patent- und Rechtsanwälte PartG mbB
München Zum Job 

Laser als Energiequelle statt Mikrowellengenerator

Die Elektrotechniker am Fachgebiet Beschleunigerphysik der TU Darmstadt haben zunächst Strukturen des Beschleunigers, die sonst aus Metall bestehen, durch Glas oder Silizium ersetzt. Glas hat eine höhere elektrische Feldbelastbarkeit als Metall. Deswegen konnten sie mit dem neuen Material die Beschleunigungsrate erhöhen. Die Strecke, die sie brauchten, um die Energie auf die Teilchen zu übertragen, wurde damit um den Faktor 10 kürzer – bei gleicher Endenergie. Außerdem haben sie als Energiequelle einen Laser genutzt, statt einem Mikrowellengenerator. Dafür verwendeten sie ein kommerziell verfügbares System, das sie durch eine komplizierte nichtlineare Optik an ihren Zweck anpassten.

Die geringe Größe des Beschleunigers bringt aber direkt eine neue Herausforderung mit sich: Die Elektronen bewegen sich im Teilchenbeschleuniger in einem Vakuum. Dieser Kanal muss aber natürlich ebenfalls verkleinert werden. Das führt wiederum dazu, dass der Elektronenstrahl stärker fokussiert werden muss, und dafür reicht die sonst übliche magnetische Technik nicht aus. Ein Team um den Nachwuchswissenschaftler Uwe Niedermayer hat hierfür eine Lösung vorgestellt: Zur Fokussierung der Elektronen nutzen die Wissenschaftler die Laserfelder selbst.

Das Konzept sieht folgendermaßen aus: Die Forscher ändern die relative Phase der Elektronen zum Laser sprunghaft und erschaffen dadurch alternierend Fokussierung und Defokussierung in den zwei Richtungen der Ebene der Chip-Oberfläche. Fürs Verständnis hilft ein praktischer Vergleich: Würde man eine Kugel auf einen Sattel legen, fiele diese herunter, unabhängig davon, in welche Richtung der Sattel geneigt ist. Dreht man den Sattel allerdings ganz gleichmäßig, bleibt die Kugel immer oben. Das gleiche Verhalten zeigen die Elektronen im Kanal auf dem Chip.

Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie und in der Medizin

Niedermayer ist zurzeit als Gastwissenschaftler an der amerikanischen Stanford Universität, die das AchIP-Programm zusammen mit der Universität Erlangen leitet. Die Experimentierkammer, in der er an der Realisierung des Teilchenbeschleunigers arbeitet, ist so groß wie ein Schuhkarton. Das Ziel ist umso größer. Bis 2020 soll es gelingen, aus dem Chip Elektronen mit einer Energie von einem Megaelektronenvolt zu erhalten. Das entspräche der elektrischen Spannung von etwa einer Million Batterien.

Solch ein Mikrochip wäre sowohl für die Industrie als auch für die Medizin sehr interessant. Beispielsweise wäre es möglich, mit ihm eine kompakte kohärente Röntgenstrahlungsquelle zu entwickeln, mit der sich Materialien charakterisieren ließen. Eine Anwendungsmöglichkeit in der Medizin wäre unter anderem ein Beschleuniger-Endoskop, mit dem man Tumoren aus dem Inneren des Körpers mit Elektronen bestrahlen könnte – mit entsprechend weniger Nebenwirkungen.

Weitere Themen:

Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.