Cern lässt Pulsgenerator entwickeln Hochspannung für die Forschung der Zukunft

Die bekannteste Anwendung von Hochspannungspulsen ist wohl die in elektrischen Weidezäunen. Doch auch Teilchenbeschleuniger an Großforschungsanlagen wie dem Cern in Genf sind auf Hochspannungspuls-Generatoren angewiesen. Im Unterschied zu Weidezaungeräten erzeugen sie jedoch Pulse mit sehr viel höherer Energie und Spannung.

Neuentwicklung für Cern-Großprojekt

Am Cern laufen derzeit die Vorarbeiten für das nächste Großforschungsprojekt ab 2025. Einer von zwei Projektkandidaten ist der Bau eines 50 Kilometer langen Linearbeschleunigers in einem Tunnel, der von Nyon bis zum Rhone-Durchbruch bei Bellegarde in Frankreich reichen soll (Projekt Clic).

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Cern entwickelten Forschende der ETH Zürich einen für diesen Beschleuniger benötigten Pulsgenerator. Vor wenigen Tagen lieferten sie ihren Prototypen ans Cern. Dort wird er nun auf Herz und Nieren geprüft.

Pulse mit 180.000 Volt

Der rund drei Kubikmeter große Pulsgenerator erzeugt aus der 400-Volt-Spannung des öffentlichen Stromnetzes Pulse von 180.000 Volt, die exakt 140 Millionstelsekunden dauern.

Damit das öffentliche Stromnetz gleichmäßig belastet und nicht durch Pulsspitzen gestört wird, werden im Innern des Pulsgenerators acht große und beinahe 200 kleine Kondensatoren (Zwischenspeicher) kontinuierlich geladen und dann 50 mal pro Sekunde entladen. Ein speziell entwickelter Transformator sorgt dafür, dass die gewünschte Ausgangsspannung möglichst schnell und effizient erreicht wird.

Hunderte Beschleunigungsstufen notwendig

Im möglichen Cern-Großforschungsprojekt werden Elektronen und Positronen (Elektron-Antiteilchen) beschleunigt. „Die Beschleunigung geschieht in einem Klystron. Dieses Gerät ist auf die Hochspannungspulse angewiesen, die unser Pulsgenerator liefert“, erklärt Jürgen Biela, Professor für Hochleistungselektronik an der ETH Zürich.

In einem Klystron werden die 140 Mikrosekunden dauernden Pulse genutzt, um ein sehr hochfrequentes Wechselfeld zu erzeugen. Das wiederum dient dazu, die Elektronen beziehungsweise Positronen zu beschleunigen.

Falls es zum Bau des Clic-Beschleunigers kommt, braucht es dafür über tausend Klystrone, um Elektronen und Positronen stufenweise bis auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu bringen. Jedes Klystron würde von einem eigenen Pulsgenerator gespeist.

Echtzeitmessung garantiert Energieeffizienz

Zu den größten Herausforderungen für die ETH-Wissenschaftler gehörte, den Generator so zu bauen, dass die erzeugten Pulse alle exakt gleich lang sind. Zudem musste ihre Spannung mit einer relativen Toleranz von bloß einem Hundertausendstel gleich hoch sein.

Ferner war es eine Vorgabe des Cern, dass bei einem Puls die Spannung extrem schnell von 0 Volt auf 180.000 Volt und später wieder zurück springt. Um das zu erreichen, misst das Gerät den Stromfluss hunderttausend Mal pro Sekunde und steuert ihn in Echtzeit.

„Bei einem langsameren Pulssprung würde mehr ungenutzte Leistung an das Klystron übertagen, was die Energieeffizienz des Pulsgenerators schmälern würde“, erläutert Sebastian Blume. Er war im Rahmen seiner Doktorarbeit in Bielas Labor maßgeblich an der Entwicklung beteiligt.

Die Effizienz ist daher zentral, weil es um verhältnismäßig hohe Energiemengen geht: Ein Pulsgenerator hat eine mehr als hundertmal höhere Leistung als eine Waschmaschine oder ein großer Staubsauger.