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Schwerionenforschung Supraleiter für Temperaturen unter minus 200 Grad Celsius

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

Kyocera Fineceramics GmbH
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
Treston Deutschland GmbH
Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Ein mit flüssigem Helium oder Stickstoff gefüllter Spezialkühler aus Keramik umgibt am Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt einen Supraleiter. Damit lassen sich Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen.

Tief gekühlt bis - 200 Grad Celsius. Der von Kyocera entwickelte Keramikkühler kombinieren eine hohe Kälteresistenz und Isolierfähigkeit.(Bild: Kyocera)
Tief gekühlt bis - 200 Grad Celsius. Der von Kyocera entwickelte Keramikkühler kombinieren eine hohe Kälteresistenz und Isolierfähigkeit.
(Bild: Kyocera)

Mit einer Länge von 1.100 Meter kommt einer der modernsten Ringbeschleuniger in Europa. Der Antiproton and Ion Research (FAIR) entsteht am Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Mit seiner Hilfe können die extremen Bedingungen – Temperaturen, Drücke oder Dichten – erforscht werden, unter denen im Universum Materie entsteht. Neben dem unterirdischen Ringbeschleuniger gibt es noch Experimentiertringe und stationen mit mehreren Kilometern Strahlführung. Die Anlage hat eine Länge von insgesamt 3,5 km Strahlführung und acht Beschleuniger- und Speicherringe.

Dazu wird die hohe Beweglichkeit elektrischer Ladungsteilchen genutzt, die sich in bestimmten Materialien – sogenannten Supraleitern – bei Temperaturen unter minus 200 Grad Celsius einstellt. Die Teilchen lassen sich dann auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Um die Extremkälte zu erzielen, wird flüssiges Helium oder flüssiger Stickstoff durch von Kyocera entwickelte Kühler geleitet, die den Supraleiter umgeben.

Diese Kühler kombinieren die hohe Kälteresistenz und Isolierfähigkeit keramischer Röhren aus F99,7-Aluminiumoxid mit der hohen Temperaturleitfähigkeit der Kontakt-Kühlkörper aus hochreinem Kupfer. Mittels einer Nickel-Eisen-Legierung wurden beide Komponenten in einem Hartlötverfahren verbunden.

Kälteresistenz und elektrische Isolation

Kyocera ist seit Jahrzehnten ein regelmäßiger Entwicklungspartner von Forschungseinrichtungen wie dem Europäischen Kernforschungszentrum CERN oder dem GSI Helmholzzentrum für Schwerionenforschung. Gemeinsam mit den Wissenschaftlern werden Spezialkeramiken entwickelt und getestet, die besonders hohen Anforderungen genügen sollen. Neben der Kälteresistenz spielte bei den für das GSI gefertigten Kühlern auch die elektrische Isolation der einzelnen Kupfer-Kühlkörper gegeneinander bis zu 1 kV sowie die Vermeidung von Leckagen bei Helium bis 10-9 mbar l/s entscheidende Rollen. Außerdem wurden die Kühler für einen rund 30-jährigen Betrieb ausgelegt.

Teilchenbeschleuniger werden heute nicht nur in Großforschungseinrichtungen eingesetzt, sondern auch in zahlreichen weiteren Anwendungen genutzt. Dazu gehören beispielsweise Bildgebungsverfahren und Strahlenbehandlungen in der Medizin, für die Drogen- und Sprengstofferkennung bei Sicherheits-Checks an Flughäfen oder ganz allgemein für Materialanalysen in Laboren. Weltweit sind derzeit etwa 30.000 Teilchenbeschleuniger im Einsatz, Tendenz steigend.  (heh)

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