Supraleitende Technologie für den ILC

Beim internationalen Linearcollider ILC soll supraleitende Beschleunigertechnologie eingesetzt werden. Diese bietet entscheidende Vorteile gegenüber der normalleitenden Variante.

Supraleitender TESLA-Resonator

Nach intensiver Begutachtung verschiedener möglicher Technologien entschied das International Committee for Future Accelerators ICFA – das Komitee, das die Teilchenphysik weltweit vertritt – im August 2004, dass beim internationalen Linearcollider ILC supraleitende Beschleunigertechnologie zum Einsatz kommen soll. Diese Technologie wurde von Forschunszentrum DESY und seinen internationalen Partnern – der TESLA Technology Collaboration – seit Anfang der 1990er Jahre gemeinsam entwickelt und an der TESLA-Testanlage in Hamburg erfolgreich getestet.

Vorteil: Supraleitung

Die von DESY und der TESLA Technology Collaboration entwickelten Beschleunigungstrukturen (im Fachjargon Resonatoren genannt) sind aus dem Metall Niob gefertigt. Wird Niob kälter als minus 264 Grad Celsius – Kälte, wie sie sonst nur im Weltraum herrscht –, so verliert es seinen elektrischen Widerstand und leitet den Strom ohne Energieverlust. Diese Eigenschaft heißt „Supraleitung“ und bringt bei der Teilchenbeschleunigung entscheidende Vorteile: Bei supraleitenden Beschleunigungsstrecken sind die Leistungsverluste in den Wänden der Resonatoren verschwindend gering, so dass nahezu die gesamte Leistung auf die Teilchen übertragen werden kann. Dies reduziert den Energieverbrauch erheblich. Zudem wird ein Teilchenstrahl von extrem hoher Qualität erzeugt, da die Resonatoren wegen des verschwindenden elektrischen Widerstands größer als bei normalleitender Bauweise gemacht werden können und dadurch weniger Störfelder auftreten. So ermöglichen es die supraleitenden TESLA-Resonatoren, einen Teilchenstrahl höchster Güte mit einem sehr kleinen Strahlquerschnitt und hoher Strahlleistung zu erzeugen. Damit lässt sich eine besonders hohe Kollisionsrate der beschleunigten Teilchen erzielen – beste Voraussetzungen also für neue Entdeckungen in der Teilchenphysik.

Montage der supraleitenden Resonatoren im Reinraum

Bei der Fertigung der supraleitenden TESLA-Resonatoren aus dem Metall Niob können schon ein paar kleine Staubkörner große Folgen haben: Ist die Oberfläche mit Staubpartikeln verunreinigt, führen diese winzigen Störungen dazu, dass sich das elektrische Feld in den Hohlräumen punktuell verdichtet. An diesen Stellen können Elektronen aus dem Metall austreten und an anderer Stelle zurück auf die Oberfläche prallen. Auf diese Weise entsteht dort Wärme, die dazu führt, dass die Supraleitung zusammenbricht. Um dieses Szenario zu vermeiden, werden die Beschleunigungsmodule in einem nahezu staubfreien „Reinraum“ gefertigt und montiert – einem Arbeitsbereich, in dem hunderttausendmal weniger Staub zu finden ist als in normaler Stadtluft.

TESLA-Testanlage: Meilensteine der supraleitenden Beschleunigertechnologie

Für den Einsatz in einem Linearcollider wie dem ILC müssen die Beschleunigungsstrecken extrem hohen Anforderungen genügen. Solche supraleitenden Beschleunigungselemente gab es zu Beginn der 1990er Jahre noch nicht, sie mussten in der erforderlichen Qualität erst entwickelt werden. Die in Zusammenarbeit mit Industriefirmen durchgeführten TESLA-Projektarbeiten haben diesbezüglich zu bedeutenden Fortschritten in der Hochfrequenz-Supraleitungstechnologie geführt.

Die TESLA-Testanlage bei DESY in Hamburg

Von 1992 bis 2003 entwickelten Wissenschaftler im Rahmen der internationalen TESLA Technology Collaboration an einer Testanlage bei DESY in Hamburg die supraleitende TESLA-Beschleunigertechnologie. Insgesamt 41 Institute aus 9 Ländern waren bis zur Veröffentlichung des TESLA-Projektvorschlags (Technical Design Report) im März 2001 an den Forschungs- und Entwicklungsarbeiten beteiligt und haben die Hälfte der Kosten getragen. Zusätzlich betreibt DESY in Zeuthen seit Januar 2002 den Photoinjektor-Teststand PITZ, einen kleinen Linearbeschleuniger zur Entwicklung und Optimierung von lasergetriebenen Hochfrequenz-Elektronenquellen.

Die TESLA-Testanlage in Hamburg beinhaltete eine Elektronenquelle, eine supraleitende Beschleunigungsstrecke sowie eine Magnetanordnung, in der die beschleunigten Elektronen zur Aussendung von Laserlichtblitzen veranlasst wurden (Freie-Elektronen-Laser). An der Testanlage wurden wesentliche Forschungs- und Entwicklungserfolge erzielt: Zu Beginn der TESLA-Projektarbeiten im Jahr 1992 boten supraleitende Resonatoren allenfalls Beschleunigungsgradienten zwischen fünf und acht Millionen Volt pro Meter (Megavolt pro Meter, MV/m). Zehn Jahre später konnten supraleitende Resonatoren mit einem Beschleunigungsgradienten von 25 MV/m bereits routinemäßig industriell gefertigt werden. Dies entspricht den Anforderungen für einen circa dreißig Kilometer langen Linearcollider mit 500 Giga-Elektronenvolt (GeV) Gesamtenergie entspricht. Außerdem konnten die Kosten pro Meter um den Faktor vier reduziert werden. Mehrere supraleitende neunzellige TESLA-Resonatoren erreichten zudem eine Beschleunigungsfeldstärke von über 35 MV/m. Diese ermöglicht es, den Beschleuniger bei 800 GeV zu betreiben.

Der Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY in Hamburg

Auch zur Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern (FEL) im Bereich extrem kurzer Wellenlängen hat die TESLA-Testanlage entscheidend beigetragen: Weltweit erstmalig konnte an der Anlage kurzwelliges Laserlicht im ultravioletten Bereich nach dem neuartigen SASE-Funktionsprinzip der „selbstverstärkten spontanen Emission“ erzeugt werden, wobei in diesem Strahlungsbereich sogar die maximal mögliche Lichtverstärkung erreicht werden konnte. Auf diesem SASE-Prinzip beruht auch der neue europäische Röntgenlaser European XFEL, der bis 2014 in der Metropolregion Hamburg entsteht.  Schon im Dezember 2002 veröffentlichte ein internationales Wissenschaftlerteam eines der ersten Experimente an dem Freie-Elektronen-Laser der Testanlage in der Fachzeitschrift Nature. Somit wurde an der TESLA-Testanlage nicht nur ein ganz wesentlicher Grundstein für den internationalen Linearcollider ILC gelegt, sondern auch die technologische Basis für kurzwellige Freie-Elektronen-Laser wie den Röntgenlaser European XFEL geschaffen.

Die hundert Meter lange TESLA-Testanlage wurde anschließend auf circa dreihundert Meter verlängert und zum Freie-Elektronen-Laser FLASH ausgebaut. Seit Beginn des Nutzerbetriebs im August 2005 stehen Wissenschaftlern aus aller Welt fünf Messplätze für die Forschung mit Laserlicht im Vakuum-Ultravioletten (VUV) und im weichen Röntgenbereich zur Verfügung. Der Betrieb von FLASH liefert wichtige Erkenntnisse für den Röntgenlaser European XFEL, der noch kürzere Wellenlängen bis hinunter zu einem Zehntel Nanometer erzeugen wird. Zugleich dient FLASH als Testanlage für die TESLA-Beschleunigertechnologie.