Berlin Energy Recovery Linac Prototype (bERLinPro)

Kompakte Elektronenpakete für brillantes Licht.

Mit dem Projekt bERLinPro wird unter Federführung des HZB in den nächsten fünf Jahren eine neuartige Beschleunigertechnologie weiterentwickelt.

Der Helmholtz-Senat, das oberste Entscheidungsgremium der Helmholtz-Gemeinschaft, hat 2010 die Realisierung der strategischen Ausbauinvestition BERLinPro beschlossen. Die Finanzierung des insgesamt 25 Millionen Euro umfassenden Vorhabens stellen die Helmholtz-Gemeinschaft, das Land Berlin und das HZB sicher. Mit dem Projekt BERLinPro verfolgt das HZB zusammen mit seinen Partnern in der Helmholtz-Gemeinschaft und aus aller Welt das Ziel, eine neuartige Beschleunigertechnologie weiterzuentwickeln und das Prinzip des „Energy Recovery Linac" (ERL, deutsch: Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung) auf eine neue technologische Basis zu stellen.

Im Energy Recovery Linac Prototype werden Elektronenpakete in einem Injektor erzeugt und in einem langen, geraden und supraleitenden Linearbeschleuniger (Linac) beschleunigt. Die Elektronen werden dann durch Magnete, so genannte Undulatoren, geführt und erzeugen dort Röntgenstrahlung wie in einer Synchrotronstrahlungsquelle - haben jedoch eine höhere Brillanz, da die Elektronenpakete im Linac kompakter bleiben als in einem Kreisbeschleuniger. Die Elektronenpakete werden kontinuierlich injiziert und kommen nach ihrem Umlauf wieder in den Linac zurück, wo sie abgebremst werden. Dadurch gewinnt man nahezu die gesamte Energie zurück, wodurch erst die Beschleunigung hoher Ströme möglich wird.


BERLinPro – hohe Ströme und kleine Emittanzen

Das ERL-Prinizp wurde weltweit bisher nur für Ströme bis zu 10 mA gezeigt. Im Rahmen von bERLinPro soll nun eine kompakte Anlage aufgebaut werden, die alle Schlüsselelemente einer Hochstromquelle enthält. Während der im Jahr 2011 begonnenen Bauphase sollen sämtliche kritischen Komponenten entwickelt und erprobt werden – zum Beispiel die hochbrillante Elektronenquelle, supraleitende Beschleunigersektionen sowie Magnetsysteme zur Injektion und Strahlrückführung, ohne dass die Strahlqualität abnimmt. Bei bisher unerreicht hoher Strahlleistung und Brillanz sollen das ERL-Prinzip demonstriert und die Aspekte von Strahlstabilität, Kontrolle des Strahlverlusts und Flexibilität der Strahlparameter studiert werden.

Im bERLinPro wird ein supraleitender Linearbeschleuniger einen Elektronenstrahl erzeugen, der in so genannten Kavitäten beschleunigt wird – das sind Niob-Metallröhren, die mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von zwei Kelvin (-271 Grad Celsius) und damit nur knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Die tiefen Temperaturen sind Voraussetzung für den Betrieb des supraleitenden Beschleunigers,der permanent Elektronenpakete mit einer Rate von 1,3 Gigahertz erzeugt. Die durch die Beschleunigung erreichte Energie entspricht dem Durchlaufen einer Spannung von 50 Millionen Volt. 
Mit dieser Energie fliegen die Elektronen in ein Strahlführungssystem, das sie auf eine „Rennbahn“ zwingt. Auf dieser Strecke können Undulatoren eingebaut werden, in denen Synchrotronlicht erzeugt wird. Probleme entstehen dabei vor allem durch den Umstand, dass sich die Elektronenpakete aufgrund ihrer Ladung gegenseitig abstoßen und somit nicht mehr so kompakt bleiben. Die Elektronenoptik der Anlage muss sicherstellen, dass sich die Qualität der Elektronenpakete während des Umlaufs nicht ändert. Gleichzeitig sorgen die magnetischen Bauelemente der Anlage dafür, dass sich die umgelaufenen Pakete am Ende der "Rennbahn" exakt zwischen zwei zu beschleunigenden Paketen im LINAC einfädeln – wie bei einem Reißverschluss.

bERLinPro soll nun zeigen, dass ein Elektronenstrahl höchster Intensität und Dichte durch dieses Strahlführungssystem geleitet und dann so zum Linearbeschleuniger zurück transportiert werden kann, dass die Elektronen dort im elektromagnetischen Feld abgebremst werden und ihre Energie an das Feld zurückgeben. Die zurück gewonnene Energie des Strahls steht dann zur Verfügung, um einen frisch erzeugten Elektronenstrahl zu beschleunigen – der wiederum die gleichen exzellenten Parameter aufweist wie der Strahl aus dem Umlauf zuvor.


Grundlage für neue Anwendungsmöglichkeiten

Autor der Grafik: Britta Mießen

Gelingt BERLinPro, werden die Leistungsparameter von ERLs um Größenordnungen gesteigert. Für die Wissenschaftler kommt es bei der ERL-Technologie vor allem darauf an, in Synchrotronquellen kurze, hochbrillante Lichtpulse bei sehr hohen Strömen zu erzeugen. Damit wären zahlreiche neue Anwendungen in der Zukunft möglich. Zum Beispiel könnten solche Technologien als so genannte „Inverse Compton Scattering Strahlungsquelle“ in der medizinischen Therapie und Diagnostik eingesetzt werden. Für die Teilchenphysik könnten neue Elektronenkühler entwickelt werden, die die Grenzen der konventionell eingesetzten elektrostatischen Kühler überwinden. Des Weiteren ließe sich die Technologie nutzen, um die Isotopenzusammensetzung radioaktiver Abfälle in ihrem Containment vor der Lagerung oder Weiterbehandlung zweifelsfrei zu bestimmen.

„Die Entwicklung der ERL-Technologie könnte aber auch das Fenster zu ganz neuen Anwendungen aufstoßen, von denen wir bisher noch gar nichts wissen“, gibt Professor Jens Knobloch, Leiter des Instituts SRF – Wissenschaft und Technologie, zu Bedenken. Schließlich sei die heutige wissenschaftliche Nutzung der Röntgenstrahlung auch ein Aspekt gewesen, der bei der Entwicklung der ersten Lichtquellen in den 1950er-Jahren keine Rolle gespielt habe. Insofern wird mit der Entwicklung von BERLinPro ein Stück weit Neuland betreten.


Hinter der Abkürzung HoBiCaT verbirgt sich die Testanlage für supraleitende Kavitäten, englisch: Horizontal Bi-cavity Test-facility. Als Kavitäten werden Hohlraumresonatoren bezeichnet, die das Herzstück von Linearbeschleunigern (LINAC) bilden. Das sind „Metallröhren“ mit bauchigen Hohlräumen, in denen starke elektrische Felder erzeugt werden. Bisher wurden meist Kupferkavitäten verwendet, mit denen aber aufgrund der Energieverluste im Dauerstrichbetrieb nicht so starke Felder erzeugt werden konnten. Künftig soll daher supraleitendes Niob eingesetzt werden, mit denen eine tausend Mal höhere Leistung erzielt werden kann. Doch dafür müssen die Niobkavitäten auf Temperaturen von zwei Kelvin (-271,15 Grad Celsius) gekühlt und zusätzlich vor äußerer Wärmezufuhr geschützt werden. HoBiCaT ist ein wichtiger Bestandteil des Zukunftsprojekts BERLinPro. Auch die neue Elektronenquelle des ERL-Beschleunigers, ein Photoinjektor, basiert auf einer supraleitenden Kavität. Der erste Prototyp wurde im Frühjahr 2011 in der HoBiCaT in Betrieb genommen.

→ BerLinPro Website