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Karlsruher Instituts für Technologie-KIT: Der Teilchenbeschleuniger von morgen

Nach einer Fördermittelzusage des Bundesforschungsministeriums wird an der Accelerator Technology Platform (ATP) des KIT die Beschleunigertechnologie von morgen entwickelt.

Elektro-Optischer Kristall Bildquelle: © Nicole Hiller/ KIT

Elektro-optischer Kristall für das Erfassen der extrem kurzen Elektronenimpulse in modernen Teilchenbeschleunigern.

»Am KIT entwickeln wir mit Teams von Expertinnen und Experten aus verschiedenen Disziplinen gemeinsam innovative Technologien für die Teilchenbeschleuniger von morgen, von Strahlendiagnosesystemen für höchste Datenraten bis hin zu speziellen Magneten aus Hochtemperatursupraleitern«, sagt der Vizepräsident des KIT für Forschung, Professor Oliver Kraft.

Geforscht wird unter anderem an supraleitenden Magneten, welche die Teilchen im Beschleuniger führen und fokussieren, darunter auch an Spezialmagneten mit alternierender Magnetfeldrichtung – Undulatoren –, die in Beschleunigern sehr eng gebündeltes, sogenanntes brillantes Licht erzeugen.

Am KIT stehen Infrastrukturen und Testanlagen zur Verfügung wie die Beschleuniger KARA (Karlsruhe Research Accelerator) und FLUTE (Ferninfrarot Linac- und Test-Experiment), mit denen unter anderem Messmethoden für Terahertz-Strahlung erarbeitet werden, die von den Material- und Biowissenschaften genutzt werden können. So wird ein von den Forschern des KIT entwickeltes System mit elektro-optischem Kristall zum Detektieren der extrem kurzen Elektronenpulse in modernen Teilchenbeschleunigern eingesetzt. Ultrakurze Elektronenpakete mit Pulsdauern im Bereich von Femtosekunden – Billiardstel Bruchteilen einer Sekunde –, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, lassen sich so erkennen und kontrollieren.

Synchrotronstrahlung ermöglicht zerstörungsfreie Untersuchungen von biologischen Strukturen und Werkstoffen, Teilchenstrahlen kommen in der Tumortherapie zum Einsatz. Weitere Anwendungen sind die Röntgen-Tiefenlithografie für die Fertigung von Mikrostrukturen, die Materialveredelung in der Schmuck- und Fahrzeugindustrie sowie die Sterilisation von Lebensmitteln oder Medizinprodukten.

Geforscht wird am KIT auch an supraleitende Materialien für neue Kabeltechnologien der künftigen Superbeschleuniger. Diese Materialien sind auch Basis für supraleitende Erdkabel, die zu einer Komponente für die Stromversorgung werden können, zum Beispiel, um Strom von Windparks in Norddeutschland effizient Richtung Süden zu leiten. Auf dem Gebiet der Erforschung der Materie an Großgeräten arbeiten die Karlsruher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem an neuartigen Technologien für Plasmabeschleuniger, die kompakter und energieeffizienter sein werden als derzeitige Beschleuniger.

An 13 internationalen Beschleunigerprojekten ist das KIT durch seine Arbeiten beteiligt. Auf dem Gebiet der Physik der kleinsten Teilchen forscht das KIT zu höchsten Strahlintensitäten sowie zur Betriebssicherheit in Ringbeschleunigern beispielsweise für die nächste Ausbaustufe des weltweit größten Beschleunigers LHC am CERN in Genf. Auch neue Technologien für hochspezialisierte Magnete als Lichtquellen für die international leistungsfähigsten Beschleuniger wie den European XFEL in Hamburg werden in Karlsruhe erforscht. Und für die BESSY VSR Synchrotronstrahlenquelle in Berlin erproben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT, wie Künstliche Intelligenz dazu beitragen kann, dass Beschleuniger ihre Parameter selbsttätig einstellen und anpassen.