SIEMENS

Teilchenbeschleuniger sind die Superstars unter den wissenschaftlichen Instrumenten: Mit ihrer Hilfe haben Forscher den Aufbau der Materie entschlüsselt, die fundamentalen Kräfte der Natur erforscht und die Geburt des Universums nachgestellt. Aber nicht alle Teilchenbeschleuniger dienen der Grundlagenforschung: Die meisten der weltweit mehr als 30.000 Anlagen werden von Medizinern und der Industrie genutzt, beispielsweise um Krebspatienten zu bestrahlen, Radioisotope für Therapie und bildgebende Verfahren herzustellen, Nahrungsmittel und medizinische Geräte zu sterilisieren oder die Eigenschaften von Kunststoffen zu verändern. Die vermeintlich exotischen Geräte spielen also auch im täglichen Leben eine große Rolle – umso wichtiger ist es deshalb, ihre Herstellungs- und Betriebskosten zu senken.

Genau das wollen Forscher von Siemens Corporate Technology (CT) gemeinsam mit Kollegen vom Budker-Institut für Nuklearphysik in Novosibirsk, dem Institut für theoretische und Experimentalphysik in Moskau, der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt und der Universität Frankfurt am Main erreichen: Im Rahmen der strategischen Partnerschaft zwischen Siemens und dem neuen Forschungszentrum Skolkovo nahe Moskau entwickeln sie einen Hochfrequenz-Generator für hohe Leistungen, der auf neuartigen Silizumkarbid-Transistoren basiert und sehr kompakte, robuste und energieeffiziente Teilchenbeschleuniger ermöglichen soll. Die Kooperation ist kein Zufall: Hier werden seit Jahrzehnten viele Teilchenbeschleuniger betrieben, und russische Wissenschaftler haben mit ihren Ideen immer wieder zur Weiterentwicklung der Technik beigetragen.

In diesem Fall geht es um den „Antrieb“ der Anlagen: In Teilchenbeschleunigern sorgen elektrische Felder dafür, dass auf geladene Partikel wie Elektronen, Protonen oder Ionen starke Kräfte wirken, die sie auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen. Am einfachsten wäre es, zwischen zwei Elektroden eine Gleichspannung zu erzeugen, deren elektrisches Feld die Teilchen vorantreibt. „Mit solchen elektrostatischen Beschleunigern stößt man aber schnell an Grenzen, weil es bei Spannungen oberhalb von zehn Millionen Volt zu elektrischen Überschlägen kommt“, erklärt Prof. Dr. Oliver Heid, Mediziner und Siemens Top Innovator, der als wissenschaftlicher Berater im Skolkovo-Board sitzt und das Projekt initiiert hat. „Darum haben Forscher Alternativen entwickelt, die mit Wechselspannung arbeiten.“

Die Grundidee: Statt die Teilchen einmal eine sehr hohe Spannung durchlaufen zu lassen, schickt man sie durch eine Reihe von schwächeren elektrischen Feldern, wobei sie schrittweise immer mehr Energie erhalten. Im Feld einer Wechselspannung würde ein Teilchen aber nicht beschleunigt, sondern nur hin und her zappeln – darum arrangieren die Wissenschaftler ihre Anlagen so, dass die Partikel auf ihrem Weg durch die einzelnen Stufen des Beschleunigers immer nur eine Halbwelle „sehen“, die ihnen jedes Mal einen starken Schubs in die gleiche Richtung gibt – sie surfen sozusagen auf der Beschleunigungswelle. Dafür benötigt man möglichst hochfrequente Wechselspannungen mit großer Leistung, weil die Beschleuniger bei hohen Frequenzen besonders effizient arbeiten.

Das bedeutet aber eine große Herausforderung für die eingesetzte Elektronik: „Die bislang dafür verwendeten Elektronenröhren wie Trioden und Klystrons haben einen Wirkungsgrad von bestenfalls 60 Prozent, hinzu kommt noch die aufwändige Versorgung mit der Hochspannung für ihren Betrieb“, sagt Heid, der auch eine Gastprofessur an der physikalischen Fakultät der Universität Oxford in England innehat. „Darum arbeiten wir seit 2008 an einer Alternative: Hochfrequenz-Verstärker mit Halbleiter-Bauelementen, mit denen wir Wirkungsgrade von mehr als 70 Prozent erreichen – dadurch und durch die einfachere Spannungsversorgung halbieren sich die Energiekosten eines Teilchenbeschleunigers.“ Das gilt auch für die Anschaffung der Halbleiter-Verstärker selbst: Sie kosten im Vergleich zu ihren konventionellen Pendants nur rund die Hälfte.

Pionier bei Siliziumkarbid. Herzstück der neuen „Solid State Direct Drive“-Technologie sind Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC). In diesem Halbleitermaterial können sich Elektronen viel freier bewegen als in herkömmlichem Silizium. Dadurch arbeiten die SiC-Transistoren bei bis zu zehnfach höheren Frequenzen im Bereich mehrerer hundert Megahertz (MHz) – ab 300 MHz spricht man von Mikrowellen. „Hinzu kommt, dass sie Wärme besser leiten und darum höhere Leistungen verkraften“, erklärt Heid. „Siemens war einer der Pioniere auf dem Gebiet der Siliziumkarbid-Transistoren – und heute sind sie dabei, in der Elektronik eine Revolution auszulösen.“ Dabei sind die flinken Bauelemente auch noch winzig: Ein SiC-Transistor mit fünf Kilowatt Leistung hat eine Fläche von nur sechs Quadratmillimetern. Eine ähnlich leistungsfähige Röhre würde ein Volumen von rund zehn Litern einnehmen.

Um noch höhere Leistungen zu erreichen, haben die Forscher acht Transistoren auf einer Platine vereint, die bei 324 MHz eine Leistung von 25 Kilowatt abgibt. So beeindruckend das auch sein mag – für einen Teilchenbeschleuniger ist es noch immer nicht genug, denn dort sind Leistungen im Megawatt-Bereich gefragt. Im nächsten Schritt haben die Forscher darum mehrere ihrer Platinen auf ein zylinderförmiges Bauteil gesteckt, so dass die ganze Konstruktion wie ein grün-kupferfarbenes Turbinenrad aussieht. Jedes aufgesteckte Modul trägt zur Leistung bei, die über einen Ring aus Kupfer gesammelt wird, so dass die gesamte Anlage auf 160 Kilowatt kommt.

Im nächsten Schritt wollen sie 128 Platinen mit jeweils 25 Kilowatt Leistung kombinieren, um auf rund drei Megawatt Leistung bei 324 MHz zu kommen - damit wäre die SiC-Technologie endgültig in den Leistungs- bereich für wissenschaftliche Teilchenbeschleuniger vorgedrungen: Dort braucht man mehrere Megawatt Leistung, während für medizinische und technische Anwendungen zehn bis 100 Kilowatt ausreichen. Diese Kombination vieler kleiner Verstärker hat neben der besser überschaubaren Komplexität einen weiteren großen Vorteil: Wenn einer von ihnen ausfällt, läuft der Teilchenbeschleuniger trotzdem weiter - bei den konventionellen Elektronenröhren steht bei einem Ausfall sofort die ganze Anlage still. „Probleme mit den Röhren und ihrer Stromversorgung gehören zu den häufigsten Ursachen für den Stillstand von Teilchenbeschleunigern“, berichtet Heid. „Bei unserer Lösung können wir hingegen ein defektes Modul im laufenden Betrieb austauschen, ohne dass die Anwender etwas davon merken.“

Skalierbare Leistung. Mit Hilfe der neuen Technologie können sich die Siemens-Forscher sowie ihre deutschen und russischen Partner durch Standardisierung für sinkende Kosten beim Antrieb von Teilchenbeschleunigern sorgen. „Wir wollen die Erzeugung der Hochfrequenz-Leistung und die Konstruktion des Beschleunigers voneinander trennen“, sagt Heid. „Darum entwickeln wir in Skolkovo eine ganze Palette von standardisierten Schaltschränken, in denen unsere neuen Verstärker untergebracht sind. Sie lassen sich beliebig kombinieren, so dass der Leistung keine Grenzen gesetzt sind.“ Die hochfrequente Wechselspannung soll dann mit dicken Koaxialkabeln von 30 Zentimetern Durchmesser zu den Beschleunigern geleitet werden – so wie ein HiFi-Verstärker die Lautsprecher verschiedener Hersteller ansteuern kann.

Der erste Prototyp eines Schaltschranks soll noch im Jahr 2013 fertiggestellt werden. In Zukunft könnte diese Entwicklung dann beispielsweise für wissenschaftlichen Einrichtungen wie das europäische Kernforschungszentrum CERN interessant sein - oder auch für Unternehmen, die mit Mikrowellen Öl aus Ölsanden herauslösen wollen oder für solche, die Teilchenbeschleuniger für medizinische Anwendungen herstellen. „Selbst für ganz alltägliche Anwendungen eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten“, erklärt Heid. „Eine kleine Version unseres Hochfrequenz-Generators könnte auch in den Mikrowellenherd für zuhause eingebaut werden. Er könnte dann die benötigte Leistung von mehreren hundert Watt bei 2,4 GHz effektiver als die heutigen Magnetrons zur Verfügung stellen und würde wesentlich weniger Platz benötigen.“