Im September 2003 haben wir von Physik aus eine Exkursion zum Desy nach Hamburg gemacht, volgende Arbeit habe ich darüber geschrieben und zur Bewertung abgegeben:
Aufgabe: Erläutern Sie Aufbau, Aufgaben und Ziele des DESY!

Das deutsche Elektronensynchrotron in Hamburg wurde 1959 gegründet. Es ist eine physikalische Forschungseinrichtung im Bereich der Elementarteilchenphysik und der Synchrotronstrahlung. Es besteht aus mehreren Teilchenbeschleunigern. Der erste und kleinste ist das Elektronensynchrotron mit einem Durchmesser von 200 m. Er wurde von 1960 bis 1964 gebaut und gab dem Institut seine Namen. Des weitere gibt es Doris, ein Oval von 200 und 300 m der jetzt nur noch für Experimente mit Synchrotronstrahlung genutzt wird. Dieser Elektron-Positron-Doppel-Speicherring wurde von 1969 bis 1974 gebaut. Es folgte Petra. der 2,3 km lange Elektron-Positron-Speicherring wurde zwischen 1975 und 1978 errichtet. Petra grenzt das DESY-Gelände ein. Der neueste und größte Teilchenbeschleuniger ist unterirdisch gebaut und führt unter Hamburgs Volkspark und anderem Gebiet durch. Der Hadron-Elektron-Ring Hera hat einen Durchmesser von 6,3 km und wurde von 1984 bis 1990 erbaut. Geplant ist ein Linearbeschleuniger mit einer Länge von 33 km zu einem Preis von 3,9 Mrd. . Er soll auch unterirdisch gebaut werden und läuft unter dem Namen TESLA. Beginn der Entwicklungsarbeit war 1992. Im gleichen Jahr wurde das Institut für Hochenergiephysik in Zeuthen dem DESY angeschlossen.

Es werden Teilchen beschleunigt und aufeinandergeschickt. Es können nur elektrisch geladene Teilchen beschleunigt werden. Beschleunigt wird mit Hilfe der Anziehungs- und Abstoßungskräfte im elektrischen Feld. Die Experimente finden im Vakuum statt, da die Teilchen sonst mit dem Gas zusammenstoßen und reagieren würden. Hierzu benötigt man verschiedene Hochleistungspumpen. Da beschleunigte Teilchen mit dem Restgas zusammenstoßen und diese beseitigen wird das Vakuum immer besser. Vor jedem Ringbeschleuniger gibt es einen Linearbeschleuniger. Die Teilchen werden jeweils durch eine entgegengesetzt geladene Maske angezogen, sind sie in der entsprechenden Röhre wird diese umgepolt. Sind sie durch, werden sie abgestoßen und von der nächsten Röhre angezogen. Die Röhren werden immer länger da die Teilchen immer schneller werden und man die Frequenz der Wechselspannung nicht immer ändern möchte. Im Ring werden die Teilchen weiter beschleunigt. Es gibt einen bestimmten Teil des Ringes der Beschleunigungsstrukturen enthält. Da diese immer wiederverwendet werden, müssen die Röhren gleichlang sein und die Frequenz der Wechselspannung angepasst werden. Es dauert etwa 20 Minuten bis die Teilchen die gewünschte Geschwindigkeit haben. Um sie auf der Kreisbahn zu halten, benötigt man Ablenkmagnete. Sie sind um das Rohr in welchem sich die Teilchen bewegen angebracht und haben eine Feldstärke bis zu fünf Tesla. Um dies zu erreichen, müssen diese Elektromagneten aus einem Supraleitenden Material sein, dies ist ein Stoff der unter einer bestimmten Temperatur den elektrischen Strom ohne Widerstand leitet. In diesem Fall ist es Niob, welches mit Helium gekühlt wird. Wenn ein Teilchen von der Bahn abweicht und in das Niob gelangt kann es zur Erwärmung kommen, da hier die Supraleitung verloren geht würde Niob schmelzen. Um dies zu verhindern sind die Niobfäden mit Kupfer umwickelt, welches den Strom an Sicherungen ableitet. Eingebracht sind diese Strukturen in Harz. Um zu verhindern, dass die Ablenkmagnete das Rohr in welchem sich die Teilchen bewegen plattdrückt müssen spezielle Klammern eingesetzt werden. An den Stellen wo die Teilchen aufeinandergeschossen werden gibt es Detektoren zum Messen der Folgen.

Zunächst wird die Richtung der Teilchen bestimmt, hierzu verwendet man viele Goldfäden die wie Geiger-Müller-Zählrohre angeordnet sind. Nun kommt ein konstantes Magnetfeld, anhand der Auslenkung des Teilchens kann die Ladung festgestellt werden. Die Energie wird in der Kalorimeterzelle ermittelt: Man benötigt Nachweisschichten und Schichten die das Teilchen abbremsen. Gebremst wird mit Bleiplatten, nachgewiesen mit einem Szintilator. Dies ist ein Material das beim Durchflug eines Teilchens zum leuchten angeregt wird. Mit Spiegelschichten (glänzende Aluminiumfolie) wird dafür gesorgt das das Licht nicht unnötig entweicht. Diese Strukturen sind mehrfach übereinander angeordnet. Von den Szintilatoren führen Lichtleiter zu Fotokathoden, hier löst der Lichtimpuls ein Elektron aus. Das Elektron wird von der Anode angezogen und stößt dabei auf andere Kathoden, wo es weitere Elektronen auslöst und das Signal so verstärkt. Es kann nun erfasst werden. Man bezeichnet einen solchen Verstärker Sekundärelektronenvervielvältiger (SEV). Man misst durch wie viele Abbremsschichten das Teilchen gekommen ist und kann somit die Energie bestimmen. Die Kalorimeterzelle hat eine Grundfläche von etwa 10 mal 10 cm, sie darf nicht zu groß sein, da sonst mehrere Teilchen in eine kommen könnten und das Ergebnis verfälscht wird. Bei der Ablenkung durch Magneten verlieren die Teilchen Energie in Form von Synchrotronstrahlung, eine elektromagnetische Strahlung. Je höher die Energie der Teilchen ist, umso höhere Energie ist auch für die Ablenkung erforderlich. Die Leistung der Elektromagneten ist begrenzt. Der Kreisdurchmesser müsste größer sein, um energiereichere Teilchen zu beschleunigen. Da man Teilchen auf hohe Energien beschleunigen möchte um festzustellen ob das Standardmodell wahr ist oder ob an anderen Theorien etwas dran ist wurde der 33 km Lange Linearbeschleuniger TESLA geplant. Er soll 20 km Beschleunigungsstrukturen enthalten, die leistungsfähiger als die bisherigen sind. Kollisionen werden in der Mitte stattfinden. Teile für TESLA werden bei DESY gebaut, da sie einem hohen Reinheitsstandard entsprechen müssen.

Die Experimente haben vielfältige Aufgaben. Diejenigen welche die Teilchenkollisionen beinhalten sind Experimente der Teilchenphysik. Das Standardmodell, welches in den 60er und 70er Jahren die theoretischen Physiker beschäftigte konnte bis 1998 vollständig nachgewiesen werden (jedoch nicht am DESY). Es besagt das es 12 Teilchen der Materie und 12 der Antimaterie gibt. Mit dem neuen Beschleuniger TESLA können erstmals eventuelle Lücken im Standardmodell aufgedeckt werden oder festgestellt werden ob modernere Theorien wie z.B. die der Supersymmetrie stimmen. Auch sind im Bereich der Gravitationskraft noch einige Zusammenhänge unerforscht. Diese Dinge können mit den jetzigen Beschleunigern experimentell nicht nachgewiesen werden, da sie die Teilchen nur auf eine begrenzte Energie (Geschwindigkeit bei Masse) beschleunigen. Der geplante Linearbeschleuniger macht dies möglich.

Wenn Elektronen beschleunigt werden senden sie Elektromagnetische Wellen aus, dies gilt besonders wenn sie auf der Kreisbahn gehalten oder extra auf einen Schlingerkurs gebracht werden. Die dort entstehende Strahlung wird als Synchrotronstrahlung bezeichnet. Sie strahlt im Röntgenbereich, jedoch wesentlich intensiver und konstanter (besser zu berechnen) als herkömmliche Quellen. Sie ermöglicht Experimente im medizinischen, biologischen und chemischen Bereich, sowie bei der Materialforschung. Zu diesem Zweck wurde 1980 das Hamburger Synchrotronstrahlungslabor kurz HASYLAB gegründet. Es hat 15 Messplätze. 1987 gründet die Max-Planck-Gesellschaft hier eine Außenstelle. Seit 1993 steht DORIS ausschließlich der Gewinnung von Synchrotronstrahlung zur Verfügung. Bei der Testanlage von TESLA gibt es einen Freien-Elektronen-Laser der Strahlung im Vakuum-Ultraviolett-Bereich sowie "weiche" Röntgenstrahlung (TTF-FEL) aussendet. Mit TESLA soll auch ein separater Röntgenlaser gebaut werden. Hier werden die Elektronen beschleunigt und durch Magnete auf einen Zickzack Kurs gebracht. Sie senden Synchrotronstrahlung aus. Die Strahlung der hinteren Elektronen holt die der Vorderen ein und die Strahlungsenergie wird in einem schmalen Spektrum gesammelt. Es gibt eine Wellenlänge von etwa 0,1 Nanometer und ermöglicht atomare Auflösung. Man kann mit der Synchrotronstrahlung im biologischen Bereich Molekülstrukturen erkennen, in der Chemie den Ablauf von Reaktionen erforschen, man möchte mit den Röntgenlasern nicht nur Kristalle sondern auch Flüssigkeiten untersuchen und auch Wasserstoff sehen können. Man konnte die Wasserstoffatome bisher nur mit Hilfe des Ausschlussprinzips feststellen, da alle anderen Atome zu sehen waren. Man kann auch die Struktur von Materialien erkennen. Da die Bestandteile kleiner als die Wellenlänge sind erhält man auf dem Bild zunächst nur ein Beugungsmuster, aus welchem sich ein richtiges Bild errechnen lässt. Es werden z.B. Materialien wie Flugzeugturbinen auf Brüche untersucht.

Am deutschen Elektronensynchrotron arbeiten 1600 Angestellte, es kommen im Jahr 3400 Gastwissenschaftler aus 35 Ländern. DESY ist nur dafür zuständig die Forschungsanlagen zu entwickeln, zu warten und zur Verfügung zu stellen. Es wird zu 90% vom Bund und zu 10% von den Bundesländern Hamburg und Brandenburg finanziert, die Kosten belaufen sich auf 160 000 000 im Jahr. Beim Bau von Anlagen kommen hin und wieder auch Unterstützungen in Form von Teilen aus dem Ausland. Die Forschung ist für die Gastwissenschaftler kostenfrei, die Ergebnisse müssen veröffentlicht werden.



Quellen: Vortrag und Führung im DESY, Informationsmaterial des DESY
1280 Wörter
Sebastian Fietz zur Startseite
Impressum