05.10.2021

Strom sparen mit dem Teilchenbeschleuniger

Zweifache Energie-Rückgewinnung bei Elektronen-Linearbeschleuniger geglückt.

An der TU Darmstadt ist der weltweit erste Betrieb eines supra­leitenden Linear­beschleunigers mit zweifacher Energie-Rückgewinnung gelungen. Das Experiment am Elektronen-Linear­beschleuniger der Universität (S-DALINAC) wies nach, dass eine extreme Einsparung von Beschleunigerleistung möglich ist. Hochkomplexe Anlagen zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen sind für die physikalische Grundlagen­forschung und technische Anwendungen von großer Bedeutung.

 

Abb.: Der Elektronen-Linear­beschleuniger S-DALINAC am Institut für...
Abb.: Der Elektronen-Linear­beschleuniger S-DALINAC am Institut für Kern­physik der TU Darmstadt. (Bild: TU Darmstadt)

Die für viele Forschungsfelder notwendige Entwicklung von Anlagen mit höheren Strahlströmen und verbesserter Strahlqualität stößt inzwischen an technologische und ökonomische Grenzen. Einen Ausweg bietet das Konzept eines Energie-rückgewinnenden Linear­beschleunigers (Energy Recovery Linac) – in ihm wird die nach der wissenschaftlichen oder technischen Nutzung im Strahl verbleibende Energie zurückgewonnen und zur Beschleunigung weiterer Teilchen verwendet. Die ERL-Technologie kann ökonomisch sinnvoll und ökologisch verantwortbar genutzt werden, um Elektronenstrahlen höchster Energie und Intensität bereitzustellen. Und genau dies wird für die zukünftige Forschung benötigt – etwa auf dem Gebiet der Teilchenphysik an der europäischen Groß­forschungs­einrichtung CERN, aber auch um Innovationen in der Medizin und Industrie voranzutreiben.

Daher ist die jüngst erfolgreiche Demonstration an der TU Darmstadt ein Meilenstein: Erstmals wurde dort der supraleitende Elektronen-Linearbeschleuniger S-DALINAC im zweifach Energie-rückgewinnenden Modus betrieben. Dabei wurde der Elektronenstrahl in zwei sequentiellen Passagen durch den Haupt­beschleuniger auf eine Geschwindigkeit von 99,99 Prozent der Licht­geschwindigkeit im Wechsel­wirkungs­punkt beschleunigt, um anschließend bei zwei weiteren Durchflügen im Hauptbeschleuniger auf die ursprüngliche Einschuss­energie abgebremst zu werden. Es wurden Strahlströme von bis zu acht Mikroampere bei Energien von bis zu 41 Mega­elektronenvolt erzielt. Durch das anschließende Abbremsen konnten mehr als achtzig Prozent der benötigten Beschleunigungs­leistung eingespart werden.

Das Forschungsteam konnte während des Betriebs auch technische Heraus­forderungen wie etwa den „relativistischen Phasen­schlupf“ aufgrund leicht unterschiedlicher Geschwindigkeiten der Teilstrahlen auf ihren Beschleunigungs- und Abbremsungs­wegen meistern. Die Forschung auf dem Gebiet der mehrfach-rezirkulierenden ERLs wird gefördert durch die Deutsche Forschungs­gemeinschaft im Graduiertenkolleg „AccelencE“ und durch das Hessische Ministerium für Wissenschaft und Kunst im Rahmen des Clusterprojekts „Elements“.

TU Darmstadt / DE

 

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