Von Ionenstrahlen, Teilchenbeschleunigern und riesigen Magnetfeldern – (Noch) eine Physik-Exkursion

Bei unserer diesjährigen Physik-Exkursion konnten wir einen Einblick in die Spitzenforschung im Bereich Materie bekommen. Dazu mussten wir gar nicht weit fahren.

Denn was sich zunächst nach dem CERN in der Schweiz oder Los Alamos in den USA anhört gibt es auch in Sachsen. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

Am HZDR, mit Hauptsitz am Rande von Dresden und Außenstellen in Leipzig, Freiberg, Schenefeld und Grenoble forschen 500 Wissenschaftler in den Bereichen Energie, Gesundheit und Materie.

In Letzterem geht es vor allem darum, Bestandteile, Struktur und Eigenschaften von Materie zu verstehen. Mit diesem Wissen lassen sich dann neue Materialien mit ganz bestimmten Eigenschaften herstellen. Dazu stehen am HZDR Standort in Dresden drei große Forschungsanalagen zur Verfügung, die wir im Rahmen unserer Exkursion besichtigen durften.

Ein Ionenbeschleuniger am IBC (Foto: HZDR/Oliver Killing)

Die Erste ist das Ionenstrahlzentrum (IBC) des Instituts für Ionenstrahlphysik und Materialforschung. Dort können Ionen auf Energien im Bereich von wenigen Elektronenvolt (eV) bis hin zu einigen Millionen eV beschleunigt werden. Mit ihnen lassen sich Materialien modifizieren und analysieren. Klassische Anwendungsfälle sind die Dotierung von Halbleitern, das Aufrauen von Oberflächen und die zerstörungsfreie Untersuchung von Kunstwerken.

Für die Charakterisierung von Materialien ist auch deren Verhalten in sehr großen Magnetfeldern interessant. Dies kann im Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) untersucht werden. Dort steht die größte Kondensatorbank der Welt, die eine Energie von 50 Mega-Joule speichern kann. Das entspricht ungefähr der Bewegungsenergie einer 150km/h schnellen Diesellok.

Die weltgrößte Kondensatorbank am HZDR (Foto: HZDR)

Die Kondensatoren dienen zum Antrieb der weltweit leistungsfähigsten Magnetspulen, mit deren Hilfe riesige Magnetfelder erzeugt werden. Die Spulen müssen dabei mit speziellen Polymeren verstärkt werden, da normale Kupferspulen aufgrund des magnetischen Druckes explosionsartig zerreissen würden. Im Juni 2011 gelang es den Forschern am HZDR mit 91,4 Tesla einen neuen Weltrekord für Magnetfelder aufzustellen. Dies entspricht ungefähr dem Zweimillionenfachen des Erdmagnetfeldes.

Die dritte große Forschungsanlage ist der Teilchenbeschleuniger ELBE. Der Name ist ein geschickt gewähltes Akronym für „Elektronenlinearbeschleuniger für Strahlen mit hoher Brillanz und niedriger Emittanz“. In der Anlage werden Elektronen mit Hilfe von Supraleitern auf 99,992 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Der entstehende Elektronenstrahl kann dabei sehr stark gebündelt werden. Beschießt man Materialien mit diesen hochenergetischen Elektronen lassen sich Informationen über deren Aufbau gewinnen.

Außerdem können mit dem Elektronenstrahl auch andere Strahlenarten als Sekundärstrahlen erzeugt werden: Durch Beschießen einer Niob-Folie entsteht Gamma-Strahlung, mit der auch Atomkerne erforscht werden können. Ähnlich lassen sich Teraherzstrahlung, Positronen und Neutronen  freisetzen und nutzen. Mit Hilfe letzterer wollen Forscher des HZDR langlebige radioaktiven Abfälle in harmlose Stoffe umwandeln.

Eine andere spannende Anwendung sind sogenannte Freie-Elektronen-Laser.

Ein Freier-Elektronen-Laser am HZDR (Foto: HZDR/Oliver Killing)

Dabei werden die Elektronen aus dem Beschleuniger mit Hilfe von Magnetfeldern abgelenkt, sodass elektromagnetische Strahlung abgegeben wird. Im Gegensatz zu konventionellen Lasern kann dabei die Wellenlänge der Strahlung kontinuierlich verändert werden.

Alle drei Forschungsanlagen stehen neben den Wissenschaftlern des HZDR auch externen Nutzern kostenlos zur Verfügung. So können Forscher aus aller Welt Anträge auf Messzeit für ihre Experimente stellen.

Das HZDR hat auch einige Kooperationen mit unserer Universität. Zum Beispiel forschen sowohl Prof. Sibylle Gemming, als auch Prof. Olav Hellwig neben ihrer Tätigkeit an der TU Chemnitz auch am HZDR.

Für Studenten technischer und naturwissenschaftlicher Studiengänge bietet das HZDR attraktive Themen für Abschlussarbeiten und Praktikas an. (https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=220) Schüler und interessierte Erwachsene können hingegen bei Laborführungen oder öffentlichen Veranstaltungen einen Einblick in die Arbeit in der Groß- und Grundlagenforschung erhalten. (https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=509)

Ein Einblick, der sich auf jeden Fall lohnt!

 

Eintrag von Tom, Bachelorstudium Physik, 29.06.2018

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