Das Programm „Matter and Technologies“

Der Forschungsbereich „Materie“ beschäftigt sich mit grundlegenden Fragen der Naturwissenschaft zum Ursprung und zur Beschaffenheit von Materie. Mit Hilfe großer Forschungsinfrastrukturen wie Beschleunigern, Strahlungsquellen und Detektoren gehen die Wissenschaftler des Forschungsbereichs diesen Fragen nach.

Was ist das Ziel?

Die Technologien, die in Beschleunigern und Detektoren Verwendung finden, werden zunehmend komplexer und ihre Entwicklungszyklen immer länger. Die Helmholtz-Gemeinschaft will durch die Etablierung des Programmes „Matter and Technologies“ die wichtige und zentrale Rolle der Technologieentwicklung betonen und stärken. Damit soll die Stellung der Helmholtz-Gemeinschaft als eine der weltweit führenden Wissenschaftsorganisationen in der Grundlagenforschung und bei der Entwicklung und Bereitstellung von wissenschaftlichen Großgeräten mit Blick auf die grundlegenden Technologien für Beschleuniger und Detektoren ausgebaut werden. Die Attraktivität für den Forschungsbereich wird durch das Programm gestärkt, was dazu beiträgt, motivierte und hochqualifizierte Mitarbeiter aus dem In- und Ausland für dieses Forschungsgebiet der Helmholtz-Gemeinschaft zu gewinnen.

Was tut Helmholtz, um dieses Ziel zu erreichen?

Die Helmholtz-Gemeinschaft hat mit „Matter and Technologies“ ein neues Programm aufgelegt, das Beschleuniger- und Detektorentwicklung in einem Programm zusammenführt. Durch gezielte Investitionen in verschiedene Themen werden unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten verfolgt, damit ist das Forschungsprogramm kompetitiv aufgestellt und organisationsübergreifend sichtbar. Dies führt langfristig zur Sicherung der wissenschaftlichen Exzellenz auf diesem Forschungsgebiet der Helmholtz-Gemeinschaft und der Ermöglichung neuen Entwicklungen.

Beispiele aus der Forschung

Das Programm ist in Forschung an Beschleunigertechnologien (Accelerator Research and Development, ARD) und Forschung an Detektortechnologien (Detector Technologies and Systems, DTS) gegliedert. Die Vernetzung zwischen den Zentren untereinander sowie zwischen Zentren und den Universitäten ist ein zentrales Anliegen des Programmes. Dazu werden Konferenzen, Workshops, gemeinsame Projekte und die gemeinsame Nutzung von Wissenschaftsinfrastrukturen beitragen.

1. Beschleunigertechnologien

Die Entwicklung von Technologien und neuen Konzepten für Beschleuniger hat eine lange Tradition in der Helmholtz Gemeinschaft. Deutschland hat eine Führungsposition im Bereich der supraleitenden Beschleunigertechnologie und der Hadronen-Strahlen, die durch gezielte Projekte weiter ausgebaut werden soll. In den letzten Jahren ist ein komplett neues Feld stärker in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit gerückt: die Entwicklung von Plasmabeschleunigern. Diese Beschleuniger nutzen die Tatsache, dass in Plasmen erheblich höhere Felder zur Verfügung stehen als in konventionellen Beschleunigern, d. h. in traditionellen, mit Radiofrequenz-Sendern betriebenen Hohlraumresonatoren (sogenannte Kavitäten-Beschleunigern). Wenn es gelingt, diese Plasmafelder zu nutzen, könnten sehr viel kompaktere und leistungsfähigere Beschleuniger gebaut werden, die selbstverständlich für viele Bereiche der Forschung und Anwendung äußerst interessant wären.

In Abb. 1 ist das Ergebnis einer Simulation dieses neuartigen Prinzips in einem mit einem Laser angeregten Gas dargestellt. Sichtbar sind die Bereiche hoher Elektronendichte (in rot), die dann die Ladungsträger beschleunigen. Ein wesentliches Ziel der Arbeiten wird es sein, diese Technologie so weit zu entwickeln, dass sie technisch einsetzbar wird.
Die Helmholtz Gemeinschaft wird sich durch das neue Programm in diesem neuen Feld international positionieren; sie hat schon jetzt - nach vorbereitenden Arbeiten - gezeigt, dass diese Technologie außerordentlich aussichtsreich ist.


2. Detektortechnologien

Auch die Anforderungen an moderne Detektorsysteme werden immer höher. Moderne Beschleuniger erlauben es, detailliertere Untersuchungen und Messungen durchzuführen. Um die Beschleuniger optimal zu nutzen, müssen die Detektoren sehr schnell sein, herausragende Auflösung haben, in teilweise sehr schwierigen technologischen Umgebungen funktionieren (beispielsweise sehr hohe Strahlungsfelder aushalten) und sehr große Datenmengen verarbeiten können. Die daraus resultierenden Anforderungen sind häufig nur mit Systemen zu bewältigen, die die Grenze des technisch bzw. technologisch Machbaren verschieben.

Ein Schwerpunkt der Entwicklungen liegt auf den Halbleiterdetektoren, basierend auf Silizium oder anderen Materialien. Diese Detektoren erlauben es, hohe räumliche Auflösungen zu erreichen, um z. B. Elementarteilchen präzise zu vermessen, oder Streubilder komplizierter Systeme an Synchrotonstrahlungsquellen aufzuzeichnen. Eine besondere Herausforderung dabei ist es, die sehr großen Datenmengen, die mit den Sensoren erzeugt werden, technisch-logistisch zu handhaben. Hier stoßen konventionelle Systeme schnell an ihre Grenzen. Eine faszinierende und sehr erfolgversprechende Entwicklung ist es, klassische elektronische Elemente mit optischen Systemen zu kombinieren.

In Abb. 2 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme von einem Testsystem gezeigt, in dem es gelungen ist, eine mikroskopische Verbindung zwischen zwei optischen Systemen zu realisieren, einer Grundvoraussetzung, um das neue Gebiet der „Silicon Photonics“ in den Bereich der Anwendung zu bringen. Erst die Entwicklung solcher komplett neuer Technologien wird es erlauben, die Leistungsfähigkeit moderner Sensorsysteme auszuschöpfen.

Um die Machbarkeit dieser neuen Technologien zu zeigen, ist die Entwicklung kompletter Prototypen ein wichtiger Aspekt des neuen Programmthemas.



Beteiligte Helmholtz-Zentren:

Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY
Forschungszentrum Jülich
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Karlsruher Institut für Technologie

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