Komitee für Beschleunigerphyik

Strategie 2030

Beschleunigerforschung in Deutschland

# Komitee für Beschleunigerphysik

Das Komitee für Beschleunigerphysik KfB vertritt die Gemeinschaft der deutschen Beschleunigerphysikerinnen und -physiker gegenüber politischen und wirtschaftlichen Organisationen sowie der Öffentlichkeit. Das Komitee fördert zudem den Kontakt und die Zusammenarbeit innerhalb der Gemeinschaft der Beschleunigerphysikerinnen und -physiker. Es setzt sich aus insgesamt 12 Mitgliedern zusammen, die an deutschen Universitäten, Helmholtz-Zentren, sonstigen deutschen Forschungsinstituten oder internationalen Instituten mit deutscher Beteiligung tätig sind. Die Mitglieder werden für eine Dauer von drei Jahren durch die im Forum registrierten Beschleunigerphysikerinnen und -physiker in geheimer Wahl bestimmt. Das Komitee wurde im Jahr 2011 gegründet; Ende 2019 fand die Wahl zum aktuellen 4. Komitee statt.

# Sehr geehrte Lesende,

Teilchenbeschleuniger sind aus unserer heutigen Welt kaum noch wegzudenken. Man findet sie nicht nur in der wissenschaftlichen Grundlagenforschung und in angewandten Disziplinen wie der Material- wissenschaft, sondern längst auch in Industrie und Medizin. Die Palette reicht von Kompaktanlagen, die kleiner als ein Kühlschrank sind, bis hin zu kilometerlangen Großgeräten. Entwicklung und Betrieb neuartiger Teilchenbeschleuniger bedingen meistens Vorstöße in technologisches Neuland, die vielfach bedeutende Anwendungen in weiten Bereichen der Gesellschaft nach sich ziehen.

Immer komplexer werdende Großanlagen erfordern die überregionale Zusammenarbeit von hervorragend ausgebildeten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, Ingenieurinnen und Ingenieuren und führten zur Entstehung des eigenständigen Forschungsgebiets der Beschleunigerphysik, das mittlerweile an einer Reihe deutscher Universitäten als Studienfach angeboten wird.

Zusätzliche Unterstützung erfährt die Beschleuniger-Forschung durch das im Jahr 2011 gegründete Komitee für Beschleunigerphysik KfB. Als ständige Vertretung der in der deutschen Beschleunigerforschung Tätigen berät es forschungsfördernde Institutionen und unterstützt die Zusammenarbeit und den Kontakt innerhalb der Gemeinschaft.

Mit der vorliegenden Broschüre wendet sich das KfB an die interessierte Öffentlichkeit, an Schülerinnen, Schüler und Studierende sowie Entscheidungsträgerinnen und Entscheidungsträger in Politik und Wirtschaft. Wir geben Einblicke in die grundlegenden Fragestellungen und Forschungsschwerpunkte bei Entwicklung und Einsatz von Beschleunigern und stellen Beschleunigerprojekte in Deutschland oder mit deutscher Beteiligung vor. Begleiten Sie uns in die faszinierende Welt der Beschleuniger.

Das Notwendige tun, um Mindestanforderung für Zukunftsprojekte zu erfüllen
Zudem Alternativen erforschen, die Anforderungen zu übertreffen (vor Inbetriebnahme oder danach)
Dem Disruptions-Dilemma begegnen
Exzellenz ausbauen, wo sie bereits vorhanden ist

Teil A

Ausgangslage

Die Forschenden. Die Nutzen. Die Technologien.

Weltweit sind rund 4500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Ingenieure und Ingenieurinnen in der Beschleunigerforschung tätig¹. Davon rund 1000 an deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen, an der ESRF und am CERN. Diese werden von rund dreimal so vielen technischen Expertinnen und Experten unterstützt.

Jährlich promovieren rund 100 junge Menschen über Themen aus der Beschleunigerforschung. Sowohl bei Personen als auch bei Doktorarbeiten liegt der deutsche Anteil bei über 10 Prozent.

# Forschen

Als Forschende wollen wir Teilchenbeschleunigung verstehen - mal grundlegend (Wie kompakt kann ein Beschleuniger werden?), mal konkret (Wieso verhält sich dieser Beschleuniger anders als gedacht?).

Die meiste Zeit studieren und überprüfen wir, was andere zu verstehen glauben. Immerzu stellen wir eigene Hypothesen auf und verwerfen jene, die in besonders krassem Widerspruch zu den Ergebnissen unserer experimentellen Überprüfungen stehen.

Erfolg ist für uns, wenn wir andere überzeugen konnten, unsere Erkenntnisse in den eigenen Überlegungen zu berücksichtigen.

# Entwickeln

Als Entwickelnde wollen wir bessere Beschleuniger-Technologie erschaffen - manchmal radikal neu, oft einfach nur etwas besser.

Die meiste Zeit studieren und überprüfen wir den Fortschritt, von dem andere berichten. Regelmäßig bauen wir Prototypen und verwerfen dabei Versionen, und verwerfen jene, die in besonders krassem Widerspruch zu den Ergebnissen unserer experimentellen Überprüfungen stehen.

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# Ausbilden

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# Beschäftigte

In Deutschland sind 500-1000 Wissenschaftler/-innen und Ingenieur/-innen in der Beschleunigerforschung beschäftigt. Sie arbeiten entweder an Universitäten oder außeruniversitären Forschungseinerichtungen.

# Universitäten

An 12 Universitäten sind insgesamt N Arbeitsgruppen und 12 Lehrstühle in der Beschleunigerforschung aktiv.

# Diversität

# Frauenanteil

beiDoktorarbeiten(22 Prozent, 31 w / 108 m)

# Internationalität

Das öffentliche Bild von Teilchenbeschleunigern ist geprägt von den gewaltigen Anlagen für die physikalische Grundlagenforschung. Dieses Bild wurde gefestigt durch die breite Berichterstattung zum Large Hadron Collider als die größte Maschine, die jemals gebaut wurde.

Neben der Physik nutzen längst viele andere wissenschaftliche Disziplinenn beschleunigerbasierte Methoden. Beschleuniger treiben Lichtquellen für die Forschung an, mit denen sich die Struktur von Materialien auf einzigartige Weise untersuchen lassen - vom Aufbau komplexer Proteine bis hin zum Verständnis der Funktion von hochleistungsfähigen Materialien. Beschleuniger helfen zudem im Kampf gegen Krebs, in der industriellen Fertigung, bei der Eindämmung von kriminellem Warenverkehr sowie bei der Überwachung des Kernwaffenteststopp-Vertrags. Konzeptstudien zufolge liefern Beschleuniger zudem eine mögliche Antwort für die noch ungelöste Entsorgungsfrage der fast 17.000 Tonnen hoch radioaktiven Brennmaterials, die alleine in Deutschland bis 2022 anfallen.

Damit bilden Teilchenbeschleuniger ein Paradebeispiel für die stille Diffusion von Technologie aus der Grundlagenforschung in andere Bereiche der Gesellschaft.

# Physik der kleinsten Teilchen

Ohne Teilchenbeschleuniger wären große Teile des physikalischen Weltbilds noch mittelalterlich. Denn erst mit beschleunigten Teilchen bekamen Physkerinnen und Physiker ein Instrument an die Hand, um an fundamentale Erkenntnisse über Atome, Atomkerne und die Kräfte zwischen den kleinsten Teilchen zu gelangen.

(Physikerinnen und Physiker sind meist die ersten Nutzergruppen neuer Beschleunigertechnologien; zum einen weil ihre Ansprüche so groß sind und man ihnen auch mehr abverlangen kann als anderen Nutzergruppen)

# Multidisziplinäre Forschung

Längst übersteigt der Bedarf anderer Disziplinen an beschleunigergestützten Untersuchungsmethoden den der Physik. Phyikerinnen und Physiker nur noch eine wissenschaftliche und
in nicht-physikaliche Disziplinen vorgedrungen.

Bei der beschleunigergestützten Massenspektroskopie handelt es sich um einer Weiterentwicklung der C14-Radiokohlenstoffdatierung. Sie ermöäglicht die Altersbestimmung von Fossilien und archäologischen Funden.

Synchrotronlichtquellen und Freie Elektronen-Laser ermöglichen Forschenden zu Erkenntnissen in der den Lebenswissenschaften und der Materialforschung, die mit keinen anderen Analyseverfahren möglich sind.

Beschleunigerbetriebene Neutronenquellen finden vor allem in der Materialwissenschaft Einsatz und bilden eine wichtige (und nachhaltigere) Alternative zu reaktorbasierten Neutronenquellen.

# Sicherheit

Frachtdurchleuchtung mit Röntgenstrahlen (100?)

Zum Bereich der Sicherheit lassen sich auch die anwendungsbezogene Forschungsprojekte auf dem Gebiet der Kernenergie rechnen.

Zum einen verspricht die beschleuniger-betriebene Transmutation eine Lösung für das Problem der Entsorgung der tausenden Tonnen radioaktiven Materials, das in den vergangenen Jahrzehnten in Kernspaltungs-Reaktoren angefallen ist.

beschleuniger-betriebene unterkritische KernspaltuÌng
Materialforschung für Kernfusionsreaktoren

# Industrielle Anwendung

Ionen-Einbringung (11000)
Ionenstrahl-Analyse (300)
Materialbearbeitung (7500)
Sterilisation von Lebensmitteln (750)
Sterilisation von Medizinprodukten
Wasseraufbereitung (5)
Saatgutbehandlung
2D-Druck
3D-Druck

# Gesundheit

Teilchebeschleuniger retten Leben. Sie sind längst unverzichtbares Werkzeug der Medzin bei der Diagnose von Krankheiten und im Kampf gegen Krebs.

Radiosotope aus medizinischen Zyklotrons helfen bei der Untersuchung von Stoffwechselprozessen, durch die sich im Körper Krebstumore, Demenz und Epilepsie verorten lassen.

Sie kommen auch in der Strahlentherapie zum Einsatz, bei der Krebstumore von Innen zerstört werden. Elektronenbeschleuniger spielen in der externen Strahlentherapie eine wichtige Rolle, da sich mit ihnen hochenergetische Röntgen- und Gammastrahlen erzeugen lassen. Seit 1900 kommen auch beschleungte Protonen oder Kohlenstoffionen zum Einsatz, die aufgrund iher Wechselwirkung mit lebender Materie tiefe Stelle im Körper erreichen können, ohne auf ihrem Weg gesundes Gewebe zu beschädigen.

Das Streben der Teilchenphysik nach immer höheren Energien und intensiveren Teilchenpaketen ist seit jeher wichtige Triebfeder für die Beschleunigerforschung.

# Bestätigung des Higgs-Modells

Über vierzig Jahre lang mussten Teilchenphysikerinnen und -physiker warten, bis sie den letzten Puzzlestein des Standardmodells dingfest machen konnten. In den 1960er Jahren entwickelten Peter Higgs und zwei weitere Forschergruppen unabhängig voneinander die Lösung für ein schwerwiegendes Problem der damaligen Teilchenphysik. Denn die Beschreibung der Kräfte gelang nur mit masselosen Teilchen. Doch wieso haben Elektronen, Neutrinos und Quarks nachweislich dennoch eine Masse? Die Antwort lieferte der Higgs-Mechanismus, der mit den Higgs-Bosonen weitere neue Teilchen voraussagte. Die Masse dieser Teilchen ist allerdings so groß, dass erst der 27 Kilometer lange Beschleuniger LHC bei CERN ausreichend Kollisionsenergie bereitstellte, um die Higgs-Bosonen nachzuweisen. Im Juli 2012 verkündeten die LHC-Experimente ATLAS und CMS – unter weltweiter Beachtung – den Nachweis des letzten fehlenden Bausteins des Standardmodells.

Rekonstruktion des Zerfalls eines Higgs-Teilchens am LHC-Detektor CMS, das für kurze Zeit aus der Energie zweier auf 7 Billionen Elektronenvolt beschleunigter Protonen entstand. (Data recorded: 2011-Oct-13 12:47:38.421105 GMT, Run / Event / LS: 178424 / 666626491 / 585)

# Ringförmige Collider

# HL-LHC, HE-LHC

Das HL-LHC-Upgrade wird die Luminanz des Colliders um den Faktor 10 erhöhen. Die Arbeiten umfassen den Einbau von supraleitenden Magneten (11-12 T) und »Krabben«-Kavitäten, die den Winkel, unter dem sich die Bündel kreuzen, verringern. Zudem müssen die Detektoren befähigt werden, die erhöhte Luminosität bewältigen zu können kann.

# FCC-ee, FCC-hh

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# Geradlinige Collider

# ILC

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# CLIC

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# Energierückgewinnende Linearbeschleuniger

		Größe	2040	2060	Teilchenenergie	Magnetfeld	E-Gradient	Leistung
FAIR	Ionen-Beschleunigerkomplex	??km
LHC	Ionen-Collider	27km
MESA	Energierückgewinnungs-Linac	??km
ESGPP-Szenario 1
CLIC380-1500	Elektronen-Collider	11,4-29km			380-1500GeV	-/-	76MV/m	252-364MW
CLIC3000	Elektronen-Collider	50,1km		2060-2080	3000GeV	-/-	76/100MV/m	589MW
ESGPP-Szenario 2
CLIC3000	Elektronen-Collider	29km	2040-2060
FCC-h/e/A (Adv HF magnets)	Ionen-Collider	ca. 80km		2060-2080
ESGPP-Szenario 3
FCC-ee (90-365)	Elektronen-Collider	ca. 80km	2040-2060
FCC-h/e/A (Adv HF magnets)	Ionen-Collider	ca. 80km		2060-2080
ESGPP-Szenario 4
LE-FCC-h/e/A (LF magnets)	Elektronen/Ionen-Collider	ca. 80km	2040-2060
FCC-h/e/A (Adv HF magnets)	Elektronen/Ionen-Collider	ca. 80km		2060-2080
ESGPP-Szenario 5
LHeC	Elektronen-Ionen-Collider	ca. 80km	2040-2060
LHeC+FCC-h/e/A	Elektronen/Ionen-Collider	ca. 80km		2060-2080

In der Natur kommen nur Elemente bis zur Ordnungszahl 103 vor. Schwerere Elemente können künstlich durch Verschmelzung beschleunigter Ionen erzeugt werden. In Experimenten am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt wurden auf diese Weise die sechs Elemente 107 bis 112 entdeckt: Bohrium (107), Hassium (108), Meitnerium (109), Darmstadtium (110), Roentgenium (111), Copernicium (112). Für die Elementen 113 bis 117 konnte die Entdeckung, die in Laboren in Russland und Japan gemacht wurden, bestätigt werden - eine Voraussetzung für die offizielle Anerkennung durch die Internationale Union für reine und angewandte Chemie.

Mit Beschleunigern werden Atomkerne und exotische Kernmaterie vermessen. Genaue Daten aus der Kernphysik helfen auch der Industrie und Medizin.

# Beispiele aus der Forschung

Ob extreme Zustände wie kurz nach dem Urknall oder die Entstehung der Elemente in Sternenexplosionen – Kernphysik hat das Winzige und das Riesige im Blick.

# Entdeckung neuer Elemente

Am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt forschen Weltmeister – Weltmeister der Erzeugung schwerer Atomkerne. Dazu werden natürlich vorkommende Atomkerne bei hohen Energien verschmolzen. So konnten bei GSI bereits sechs bis dato unbekannte schwere Elemente erzeugt und untersucht werden.

# Entstehung der Materie

Alle schweren Elemente, auch das Eisen im menschlichen Blut, sind vor langer Zeit in gewaltigen Sternenexplosionen entstanden. Wer die kernphysikalischen Prozesse dahinter verstehen will, muss die Eigenschaften der vielen Zwischenprodukte kennen. Doch diese sind meist sehr kurzlebig und kommen nicht natürlich auf der Erde vor. Daher werden sie mit Beschleunigern erzeugt. Dies geschieht bei GSI in Darmstadt; auch die ISOLDE-Anlage bei CERN produziert kurzlebige Atomkerne.
Einige der Kernprozesse, die auch in unserer Sonne ablaufen, können nur in einer Umgebung untersucht werden, die von der kosmischen Strahlung abgeschirmt ist. Dazu werden im Gran-Sasso-Bergmassiv in Italien mit deutscher Beteiligung Beschleuniger tief unter der Erde betrieben.

# Urknall und Neutronensterne

An der Grenze zwischen Kern- und Teilchenphysik werden Quark-Gluon-Plasmen erforscht. Aus dieser extrem heißen und dichten Form von Kernmaterie bestand das Universum in seinen ersten Sekundenbruchteilen. Heute findet man sie höchstens noch in Neutronensternen oder nach dem Zusammenstoß beschleunigter Atomkerne. Bei CERN werden am LHC-Beschleuniger Quark-
Gluon-Plasmen wie nach dem Urknall produziert. Bei GSI wird die im Bau befindliche Beschleunigeranlage FAIR Plasmen mit hohen Dichten erzeugen, wie sie im Inneren von Neutronensternen vorkommen.

# FAIR

Die FAIR-Beschleunigeranlage kann, wie sonst keine andere Anlage der Welt, Teilchenstrahlen von allen chemischen Elementen (bzw. Ionen) sowie Antiprotonen liefern - und das in einer x-fach höheren Intensität und Energiegenauigkeit als bisher möglich.

# Die Wissenschaft

Etwa 3000 Wissenschaftler, darunter mehr als 500 Doktoranden aus der ganzen Welt, werden an FAIR Experimente durchführen, um die grundlegende Struktur der Materie zu verstehen, ihre exotischen Formen zu erforschen und zu verstehen, wie sich das Universum aus seinem Urzustand entwickelt hat.

Das wissenschaftliche Programm von FAIR ist in vier Säulen gegliedert und in vier großen Kollaborationen mit jeweils mehreren hundert Mitgliedern organisiert: APPA, das Gemeinschaften in den Bereichen Atom- und Plasmaphysik und deren Anwendungen dient; CBM, das Experiment mit komprimierter baryonischer Materie; NUSTAR, das Programm NUclear STructure, Astrophysics and Reactions; und PANDA (antiProton ANihilation in DArmstadt), das die Untersuchung von Hadronen mit Hilfe von Antiprotonenstrahlen zum Ziel hat.

# Herausforderungen

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# Die Herausforderungen

Die Teilchen werden in der FAIR-Beschleunigeranlage auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und den wissenschaftlichen Experimenten zugeführt.

Die Forschung bei FAIR ist in vier großen Forschungssäulen organisiert: NUSTAR, CBM, PANDA, APPA.

Die FAIR-Anlage wird zunächst aus sechs Ringbeschleunigern (SIS18, SIS100, CR, HESR, ESR und CRYRING), zwei Linearbeschleunigern (p-Linac, UNILAC) und etwa 1,5 Kilometer langen Netz aus Strahlführungen bestehen. An zwei Stellen, pbar und RIBs, lassen sich die beschleunigten Teilchen in andere umwandeln.

[2].

Der FAIR-Treiberbeschleuniger wird Protonen- und Schwerionenstrahlen mit hoher Energie/hoher Intensität an verschiedene Experimentierstationen liefern. Die CBM-, Plasma- und Biomat-Experimente werden direkt mit Teilchen vom SIS100 versorgt.

Die Beschleunigeranlage wird durch ein System von Speicherringen ergänzt. Die Hauptaufgabe des Kollektorrings (CR) ist die stochastische Abkühlung von radioaktiven Ionen oder Antiprotonenstrahlen aus den Produktionstargets. Darüber hinaus bietet dieser Ring die Möglichkeit für Massenmessungen von kurzlebigen Ionen. Der Hochenergie-Speicherring (HESR) ist für Antiprotonen mit einer Energie von bis zu 14 GeV optimiert. Dieser Ring wird mit einem internen Target und einem zugehörigen Detektoraufbau (PANDA) betrieben.

Licht aus beschleunigerbetriebenen Lichtquellen lässt die Vorgänge des Lebens, neue Werkstoffe für die Industrie und bessere Energiespeicher für die Energiewende untersuchen. Fortschritte der Beschleunigerforschung ermöglichen dabei immer erhellendere Einsichten.

Röntgenstrahlung ist der Tausendsassa der Wissenschaft: Über 30 Nobelpreise wurden für Einsichten mit Röntgenstrahlung verliehen. Schon der erste Physik-Nobelpreis überhaupt ging 1901 an Wilhelm Conrad Röntgen, den Entdecker jener Strahlen, die Materie durchdringen können und sich alsbald als extrem kurzwelliges Licht entpuppten. Sie wurden von Röntgen selbst »X-Strahlen« genannt. Mit X-Strahlen wurde es möglich, nicht nur auf Materie zu schauen, sondern auch endlich hinein. Wenig später zeigte Albert Einstein, dass man sich Licht auch aus Teilchen zusammengesetzt vorstellen kann, den Photonen.

Die Röntgenröhre – 1901 zum Patent angemeldet – wurde in Medizin und Wissenschaft schnell zum unentbehrlichen Werkzeug. Doch für heutige wissenschaftliche Anforderungen reichen einfache Röntgenröhren schon lange nicht mehr aus. Der Stand der Experimentierkunst wird von Lichtquellen bestimmt, die auf viele hundert Meter langen Beschleunigern basieren – den Synchrotronstrahlungsquellen und Freie-Elektronen-Lasern.

Bei diesen, wie auch bei Röntgenröhren, spielen beschleunigte Elektronen die zentrale Rolle. Denn wenn Elektronen abgebremst oder abgelenkt werden, senden sie elektromagnetische Strahlung aus, darunter auch sichtbares Licht.

Sind die Elektronen auf Geschwindigkeiten nahe der des Lichts beschleunigt, wird die Strahlung aufgrund der Gesetze der Relativitätstheorie zu einem intensiven Kegel gebündelt. Diese Strahlung wurde erstmals 1947 an einem ringförmigen Beschleuniger, einem Synchrotron, beobachtet, und wirtd »Synchrotronstrahlung« genannt.

Struktur der RNA-Polymerase I , das bei derzelleigenen Herstellung von Proteinen eine überlebenswichtige Rolle spielt. Ein genaues Verständnis der Form und Funktion solcher Biomoleküle dient nicht nur dem Verständnis von Leben an sich, sondern auch der Entwicklung von Medikamenten. Die Struktur wurde mit einer Auflösung von 0,3 Nanometern an der PETRA-III-Beamline P14 erstellt und in Nature veröffentlicht . Das Molekül besteht aus 21 642 Kohlenstoff- (grau), 6 509 Sauerstoff- (rot) 5 917 Stickstoff- (blau), 176 Schwefel- (gelb) und 7 Zinkatomen sowie einem Magnesiumatom.

# Synchrotronlichtquellen und Freie-Elektronen Laser

Dabei werden zwei grundlegende Anlagetypen unterschieden: Synchrotronstrahlungsquellen und Freie-Elektronen-Laser sind die hellsten Röntgenquellen auf unserem Planeten und werden auch in Zukunft noch viele Einsichten liefern.

Ringförmige Anlagen haben dabei den Vorteil, viele Experierstationen gleichzeitig mit einem quasi-kontinuierlichen Blitzstrom beliefern zu können. Geradlinige Anlagen liefern hingegen besonders intensive und kurze Lichtblitze, wie sie etwa zur detaillierten Untersuchung ultraschneller chemischer Reaktionen benötigt werden.

# Herausforderungen

# kürzere und intensivere Blitze

# besser gebündelte Blitze

# Dauerstrichbetrieb

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# Energierückgewinnende Linearbeschleuniger

Die gemachten Fortschritte können sich sehen lassen: Die heute erreichbaren Teilchenenergie, Lumineszenzen, Brillianzen, Emittanzen und Ströme sind um Faktor X größer.

Gegen Ende ihrer ersten 100 Jahre hat sich die Beschleunigerforschung selbst zu einer immer raffinierteren und effizienteren Maschine entwickelt. Die Beschleunigerforschung ist heute eine eigenständige Disziplin, mit eigenen Themen, Methoden und Testanlagen, mit jährlichen internationalen Konferenzen, an denen jeweils rund 1500 Personen teilnehmen, mit fast zwei Dutzend andere regelmäßig stattfindende Konferenzen und Workshops zu Themen von der Computermodellierung bis zu Beschleunigertechnologien sowie eigenen von Fachkollegen begutachtete Zeitschriften wie etwa Physical Review Accelerators and Beams, die 2018 ihr 20-jähriges Bestehen erreichte.

Entwicklung der Anzahl der in der Proteindatenbank (PDB) aufgelisteten Einträge. Das PDB-Projekt wurde in den 1970er Jahren als Datenbank für die dreidimensionalen Strukturdaten großer biologischer Moleküle wie Proteine und Nukleinsäuren ins Leben gerufen. Die grauen Balken repräsentieren alle angewandten Techniken (Röntgenkristallographie, NMR-Spektroskopie oder Kryo-Elektronenmikroskopie). Die dunkelgrauen Balken stehen für die Röntgenkristallographie, die roten Balken für die Röntgenkristallographie an beschleunigerbetriebenen Lichtquellen. Datenquelle: PDB, erstellt von: DR

Wie lässt sich der Einfluss von Teilchenbeschleunigern auf die Physik quantitativ schätzen? Eine Methode besteht darin, die Begründungen des Komitees für den Nobelpreis für Physik nach entsprechenden Bezügen zu untersuchen: Bei knapp 30 Prozent aller Physik-Nobelpreise spielten Teilchenbeschleuniger eine entscheidende Rolle oder: Im Schnitt wird alle drei Jahre ein Physik-Nobelpreis vergeben, der ohne Beschleuniger so nicht denkbar wäre.

Im Alltag steht Beschleunigung für Geschwindigkeitszunahme. Nach Einsteins Relativitätstheorie kann jedoch nichts aufs Überrlichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. In alten TV-Geräten rasten Elektronen bereits mit einem Drittel Lichtgeschwindigkeit auf die TV-Zuschauer zu. Je näher man sich dem absoluten Gescwindigkeitslimit nähert, umso aufwendiger wird es und ums kleiner die absolute Zunahme. Den derzeitigen Rekord stellte der Vorgänger des LHC, der Large Electron-Positron Collider auf: 99,99999999869 %.

Zwar kann auch der größte Beschleuniger fast lichtschnelle Elektronen nicht mehr viel schneller machen, er kann aber die Bewegungsenergie der Teilchen erhöhen. An immer größere Energie ist die Teilchenphysik interessiert, die untersucht, was für Teilchen aus dieser Energie entstehen können. Das erklärt auch den Zweitnamen Hochenergiephysik.

Da Protonen 2000-mal schwerer sind als Elektronen, sind sie nicht so flink so schnell wie das Licht. Das verkompliziert deren Beschleunigung aus der Ruhe heraus, weil für die verschiedenen Geschwindigkeitsbereiche die Geschwindigkeitszunahme bedacht werden muss.

Protonen sind rund 2000-mal schwerer als Elektronen und damit die Luminosität eines Colliders beschreibt, wie viele Teilchen wir in einer bestimmten Zeit durch einen bestimmten Raum pressen können. Das bedeutet nicht, dass diese Teilchen alle kollidieren werden, aber je mehr wir uns in einen gegebenen Raum zwängen können, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie kollidieren.

Die Emittanz beschreibt das Auseinanderdriften eines Strahles beschleunigter Teilchen. Je kleiner der Querschnitt und je paraleller die Teilchenbahnen, umso kleiner die Emittanz.

Die Luminosität ist eine wichtige Größe für die Teilchenphysik. Aus ihr ergibt sich die Zahl der beobachtbaren Teilchenreaktionen. Je höher sie ist, umso verläslicher sind die Aussagen, die statistisch in ihrem Wesen sind.

Sie beschreibt, wie viele Teilchen wir in einer bestimmten Zeit durch einen bestimmten Raum pressen können. Das bedeutet nicht, dass diese Teilchen alle kollidieren werden, aber je mehr wir uns in einen gegebenen Raum zwängen können, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie kollidieren.

Beschleunigerbasierte Lichtquelle sind die brilliantesten Lichtquellen auf der Erde. Fortschritte der Beschleunigerfortschung haben Lichtquellen für die Forschung von Generation zu Generation brillianter werden lassen. Mit Freie-Elektronen-Lasern stehen der Forschung seit 20XX noch einmal n Größenordnungen brillianter Lichtquellen.

Seit ihren Anfängen ist die Beschleunigerforschunng bemüht nach möglichst kompakten Anlagen. In den letzten 20 Jahren gab es spektakuläre Fortschritte bei der Entwicklung neuartiger Beschleunigungsmethoden, die nicht auf den etablierten Mikrowellen-Beschleunigungsstrukturen aufbauen.

Das Ziel sind wesentlich kleinere und kostengünstigere Beschleunigeranlagen - sowohl für die Hochenergie- und Kernphysik als auch die Forschung mit Photonen. Ob dieses Versprechen eingelöst werden kann, werden die kommenden zehn Jahre werden zeigen, in denen es herausfordernde Meilensteine zu meistern gilt.

# Mikrowellen-Hohlraumbeschleuniger

In modernen Beschleunigern wie dem LHC, wie bei FAIR oder bei European XFEL erfolgt die Energieübertragung über Mikrowellen, die in das Innere evakuierter metallischer Hohlräume geleitet werden und dort resonant schwingen.

Für die metallische Hülle des Hophlraumes stehen dabei zwei grundlegende Optionen zur Auswahl: Normalleitende Metalle wie Kupfer können bei Raumtemperatur betrieben werden, verlieren im Bechleunigerbetrieb jedoch viel Energie durch elektrischen Widerstand. Aus diesem Grund können sie nur gepulst betrieben werden. Supraleiter wie Niob müssen zwar aufwendig auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, benötigen insgesamt aber weniger Energie, lassen den ungepulsten Dauerbetrieb zu ergeben zudem Teilchenstrahlen höherer Qualität, da es weniger Störeffekte mit Restfeldern gibt.

Normalleitende Mikrowellen-Hohlraumbeschleuniger verrichten seit 1948 ihren Dienst. Die supraleitende Beschleunigertechnologie wurde erst durch Fortschritte konkurrenzfähig, die in den 1990er Jahren im Rahmen der bei DESY ansässigen TESLA-Kollaboration gemacht wurden.

# Limitierender Faktor

Die Stärke der beschleunigenden Kraft lässt sich bei jedem Bechleuniger mittels des sogenanntnen Beschleunigungsgradientren beschreiben, der in der Regel in Millionen Volt pro Meter (MV/m) angegeben wird. Übersteigt dieser Werte von einigen zig Megavolt pro Meter, so kommt es zum Zusammenbruch des elektromagnetichen Feldes in Form von Blitzentladungen. Auch wenn hier in der siebzigjährigen Geschichte der Technologie immer wieder beachtliche inkrementelle Fortschritte gemacht wurden, so liegt hier der limitierende Faktor.

# Technologie-Reifegrad-Skala

Im Jahr, in dem Neil Armstrong und Crew eine Woche auf dem Mond verbrachten, dachte NASA bereits intensiv über eine ständige Residenz im Weltall nach. Dabei bewertete man die Einsatzbereitschaft der für den Bau einer Raumstation notwendigen Technologien, um den jeweiligen Entwicklungsbedarf abschätzen zu können. Dieses Instrument wurde im Laufe der Jahre zur neustufigen Technologie-Reifegrad-Skala weiterentwickelt (Technology Readiness Level, TRL), die Entwicklungstände von der Idee (Grad 1) bis zum Einsatz im Weltraum (Grad 9) erfasst. ¹.

Für Horizon 2020 wurde die neun-stufige Skala von der Europäischen Komissionem mit leichten Modifikationen übernommen ².

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		Hohlraum-Resonator				Plasmabasierte Beschleunigung			dielektrisch
		normaleitend		supraleitend		teilchenbasiert		laserbasiert	laserbasiert
Treiber	Erzeugung	Klystron	Teilchenstrahl	Klystron	Klystron	Elektronen	Protonen	Laserpuls	Laserpuls
	Puls- / Dauerbetrieb	gepulst	gepulst	gepulst	Dauerbetrieb	gepulst	gepulst	gepulst	gepulst
Beschleunigungsgradient	theoretisch	50-100MV/m	120MV/m	100MV/m					3000MV/m
	Labor				50MV/m
Anlagen-Mindestgröße	1 TeV-Collider
	Higgs-Fabrik (130 GeV)
	17.5 GeV XFEL
	ESRF
technologischer Reifegrad		9	7	9	7	6	8	8	3
Einsatz	Nutzeranlagen	BESSY II, PETRA III	CLIC	EU.XFEL, ILC	EU.XFEL 2	AXSIS
	Testanlagen		CLEAR			FLASHforward, LAoLA, Sinbad,	AWAKE, PITZ	FLASHforward, LAoLA, Sinbad, EuPRAXIA	ACHIP

Stufe	Beschreibung
TRL 1	Grundprinzipien beobachtet
TRL 2	Technologiekonzept formuliert
TRL 3	Experimenteller Nachweis des Konzepts
TRL 4	Konzeptprüfung im Labor
TRL 5	Konzeptprüfung in relevanter Umgebung
TRL 6	Konzepttest in operativer Umgebung
TRL 7	Prototypentest im realen Einsatz
TRL 8	System ist komplett und qualifiziert
TRL 9	System operativ

# Plasmabasierte Beschleuniger

Mit Teilchenbeschleunigern auf Plasmabasis lassen sich tausendfach höhere Beschleunigergradienten erreichen als mit der Mikrowellentechnologie.
Die Beschleunigungskräfte resultieren dabei aus einer Ladungstrennung, die in nur wenige Zentimeter langen Plasmen erzeugt werden. Je nach Art des Treibers unterscheidet man zwischen laser- und teilchenstrahlgetriebenen Plasmabeschleunigung.

Die Idee zur Teilchenbeschleunigung mittels Plasma wird seit Ende der 1970er Jahre diskutiert - zunächst mit Lasern als Treiber ¹, später auch mit Teilchenstrahlen ²
Erste Konzeptüberprüfungen bei der Teilchen-Plasma-Beschleuniger fanden Ende der 1980er Jahre statt ³
Aufgrund der Verfügbarkeit von Hochleistungs-Lasern nahm die Entwicklung von LWFA erst in den 1990er Jahren Fahrt auf.

# Teilchen-Plasma-Beschleuniger

Teilchenstrahlgetriebene Plasmawakefieldbeschleunigung (PWFA) ermöglicht die Skalierung von plasmabasierten Beschleunigungsprozessen zu hohen Energien (von GeV zu TeV), zu hohen Wiederholraten (bis zu MHz), zu hohen Effizienzen (bis zu ~10%) und zu hohen Durchschnittsleistungen (von W zu kW bis MW) unter Anwendung und Weiterentwicklung existierender technologischer Konzepte. Damit ist diese Art der Teilchenbeschleunigung insbesonders interessant für zukünftige Anwendungen in der Hochenergiephysik.

# Situation für Deutschland

Die deutsche Beschleunigerforaschungsgemeinschaft beteiligt sich hier an zwei großen Projekten, die hochrelevante strategische Entwicklungen auf dem Gebiet der PWFA im Laufe der nächsten 10 Jahre ermöglichen werden.

AWAKE am CERN bei Genf zielt unter Nutzung von Protonenstrahlen eines LHC-Vorbeschleunigers zur Elektronenbeschleunigung auf die Demonstration des maximalen Energiezuwachses in einer einzelnen Plasmastufe. Erste Physikanwendungen bei hohen Energien (>100 GeV) werden voraussichtlich um 2030 möglich sein.
Dazu vollständig komplementär entwickelt FLASHForward eine kaskadierbare Plasmastufentechnologie zur Elektronenbeschleunigung im Multi-GeV Bereich, die auf maximale Effizienz, Wiederholrate, und Durchschnittsleistungen im 10 kW Regime fokussiert. Die Demonstration einer einzelnen Stufe soll bis 2028 abgeschlossen sein. Diese Technologie könnte als Nachbeschleuniger in existierenden Linearbeschleunigern eingesetzt werden (z.B. für Freie-Elektronen-Laser) und soll im dann folgenden Jahrzehnt für den Einsatz in der Hochenergiephysik vorbereitet werden.

# Laser-Plasma-Beschleuniger

Der weltweite Fortschritt in Stabilität und Qualität lasergetriebener Wakefieldbeschleunigung (LWFA) erlaubt heute die systematische Vorbereitung der nächsten Generation von Plasmabeschleunigern mit dem Ziel, kompakte und damit dezentral einsetzbare Anlagen für wissenschaftliche und gesellschaftsrelevante Anwendungen zu entwickeln.

Basis für Deutschlands aktuell führende Rolle ist die Kombination aus in Verbünden entwickelter innovativer Diagnostik des Lasers und des Plasmas auf mikroskopischer Skala, aus dedizierter Methodenentwicklung für größte Comuptersimulationen und modernster zwischen Industrie und Forschung vernetzter Hochleistungslaserinfrastruktur.

# Herausforderungen

Nächste Meilensteine der Entwicklung dieser nächsten Generation von Plasmaelektronenbeschleunigern sind die Demonstration von FEL-Verstärkung, die Kaskadierung von Plasmabeschleunigermodulen und ihre Ankopplung an klassische Maschinen, beispielsweise als kompakte Injektoren.

Die zentrale Erhöhung der Pulswiederholrate stellt in allen Fällen hohe Anforderungen an die Laserentwicklung und an das Plasmatarget, eröffnet aber auch neue Möglichkeiten wie die Etablierung intelligenter Feedbacksysteme.

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# Medizin

Für die Medizin stellen Laserionenbeschleuniger vielversprechende Alternativen im Strahlentherapieumfeld dar, wobei die Lösung zentraler Herausforderungen, die Wiederholfrequenz der zukünftig verfügbaren Hochleistungslaser, weiterer Grundlagenforschung bedürfen.

# LWFA Injektor

Ein Vorteil der LWFA sind die inherent entstehenden ultra-kurzen Elektronenpakete, denn diese sind eine Quelle für hoch-intensive Terahert-Strahlung. Ein Nachteil besteht in der niedrigen Wiederholrate. Speicherringe wiederum haben eine Wiederholrate im MHz Bereich, aber um mehrere Größenordnungen längere Elektronenpakete. Mit einem LWFA als Injektor für einen Speicherring könnten die Vorteile beider Technologien kombiniert werden.

Eine Herausforderung ist die große Energiebreite der Elektronenpakete, die eine Speicherung in konventionellen Ringbeschleunigern erschwert. Hierfür bedarf es weiterer Grundlagenforschung zur Entwicklung von Speicherringen mit großer Energie-Akzeptanz, wie sie Bereits im cSTART Projekt stattfindet.

Während der Technischen Design Phase von PETRA IV ist ebenfalls Grundlagenforschung für einen LWFA Injektor geplant.

# Mikro-Beschleuniger

Wie bei der etablierten Mikrowellentechnologie erfolgt die Energieübertragung bei dielektrischen Mikro-Beschleunigern direkt über elektromagnetische Wellen in Hohlräumen. Die Hohlraumstrukturen und Wellenlängen sind hier aber um den Faktor 100 000 kleiner, wodurch der Einsatz von Methoden der Mikrochip-Herstellung und von Hochleistungslasern erforderlich wird.

Zusätzlicher Vorteil ist, dass die Wände der Hohlräume aus einem dielektrischen Material wie Glas (oder xyz) bestehen und dadurch 50-fach höhere Beschleunigungsfeldstärken als bei Metall möglich werden.

Herausforderung ist, dass die gesamte Technologiekette von Hochleistungslaserquellen für die entsprechenden Wellenlängenbereiche bis hin zu neuen Elektronenquellen, Beschleunigerkomponenten sowie Diagnostiken für ultra-kurze Elektronenpakete und Simulationswerkzeugen ganz neu gedacht werden müssen.

Je nach Frequenz ermöglicht dies hoch-brillante ultrakurze Elektronenpakete mit Ladungen im Bereich von Femto- bis Pikocoulomb aus sehr kompakten Quellen um damit hochenergetische Elektronenquellen für Schlüsseltechnologien wie z.B. die ultraschnelle Elektronenbeugung oder Elektronenmikroskopie sowie kohärente Kurzpulsröntgenquellen für Röntgenanalytik bereitzustellen.

Teil B

Strategische Empfehlungen

Die strategische Kooperation der Helmholtz-Zentren DESY, GSI, HZB und KIT bei der Forschung an Beschleunigertechnologien im Rahmen der Programmorientierten Förderung ist ein voller Erfolg.

Es gilt nun, die komplementäre Stärken der universitären Forschung gezielt zu nutzen und in den komplexe Entwicklungsprozess neuer Technologien von der zunächst fixen Idee bis hin zum fertigen Produkt effizient zu integrieren.

# Analyse

# Gute Erfahrungen bei HGF

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# KALYPSO-Prozess

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# Ziele

mehr Studierende durch erhöhte Sichtbarkeit
verbesserte Möglichkeit
erhöhte Wahrnehmung der Expertise für Nutzergruppem

# Empfehlungen

# KALYPSO-Prozess

# Forschungsprogramm

alle N Jahre aktualisieren

Title: Ut odio incidunt nobis et enim numquam dolores. Sunt aut veritatis et vero dignissimos error consequatur non est.

Veröffentlichte Artikel pro Jahr in Physical Review Accelerators and Beams (Umbenennung in 2015 berücksichtigt) (SCOPUS-SUCHE: SOURCE-ID ( 21100788306 ) OR SOURCE-ID ( 130129 ))

Title: Aut eos a aliquam. Tempore accusamus earum ut ratione voluptatem qui facere.

Velit rerum quibusdam quis ex asperiores. Repudiandae sint in beatae sit at placeat tempore omnis illo. Tenetur nostrum fugiat dolorem.

# Analyse

# Eigenständigkeit

Belege: Fachzeitschriften, Konferenzen, Professuren

Vorbei sind die Jahre, in denen Beschleunigerforschung von Physikerinnen und Physiker nebenbei betrieben wurde, um ihren Bedarf an beschleunigten Teilchen decken zu können. In den letzten Jahrzehnten ist eine fachliche Ausdiffernezierung zu beobachten oder: unser Fach flügge geworden.

# Transdisziplinarität

Unser Fach zeichnet sich durch eine hohe transdisziplinare Verzahnung von Physik, Elektrotechnik und Maschinenbau aus.

Bei uns sollen sich (Natur-)wissenschaftlerinnen und -wissenschaftler ebenso heimisch fühlen wie Ingenieurinnen und Ingeneure.

# Ziele

mehr Studierende durch erhöhte Sichtbarkeit und Öffnung gegenüber Ingenieruswissenschaften
erhöhte Wahrnehmung der Expertise gegenüber Nutzergruppem
verbesserte Möglichkeit der Zusammenarbeit
Community-Building

# Empfehlungen

# »Beschleunigerforschung«

Unser Fach zeichnet sich durch eine hohe transdisziplinare Verzahnung von Physik, Elektrotechnik und Maschinenbau aus. Bei uns sollen sich (Natur-)wissenschaftlerinnen und -wissenschaftler ebenso heimisch fühlen wie Ingenieurinnen und Ingeneure.

Der Begriff »Beschleunigerphysik« wird dieser Transdisziplinarität und diesem Zugehörigkeitsanspruch nicht gerecht, da er jeweils nur einen Aspekt hervorhebt.

Aus diesme Grund schlagen wir die Bezeichnung »Beschleunigerforschung« bzw. »accelerator studies« vor.

# Umbenennung evaluieren

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Ipsa voluptatum aperiam sed non. Omnis consequatur ea inventore alias exercitationem.

# Etablierung als kleines Fach

Als Kleine Fächer werden eigenständige wissenschaftliche Fächer genannt, die eine geringe Zahl an Lehrstühlen aufweisen. Die Bandbreite von Kleinen Fächern reicht dabei von Fächern wie Vietnamistik mit einer einzigen Professorenstelle in Deutschland bis hin zur Alten Geschichte mit 75,5 Professuren an 53 Universitätsstandorten.

# Siehe auch

Rund 1000 Physiker, Ingenieure und Wissenschaftler arbeiten in Deutschland täglich am Betrieb und an der Weiterentwicklung von Beschleunigern – vonBeschleunigern darunter etwa 200 Studierende und 70 Doktoranden. Europaweit sind 3000 Menschen am Betrieb und an der Entwicklung von Beschleunigern beteiligt.

Die Beschleunigerphysik und -technik bietet gut ausgebildeten Nachwuchswissenschaftlern ein vielseitiges Arbeitsfeld, das von der Beschleunigungsphysik bis hin zu ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen wie Elektrotechnik, Vakuumtechnik, Hochfrequenztechnik und Maschinenbau reicht. Die Ausbildung ist durch Interdisziplinarität und internationale Zusammenarbeit gekennzeichnet.

Hochschulen mit Lehrveranstaltungen im Bereich Beschleunigerforschung
Hochschule	SWS	Fachbereich
Uni Hamburg	18	Physik
TU Dortmund	12	Physik
TU Darmstadt	10	Physik, E-Technik
KIT	9	Physik
Uni Frankfurt	8	Physik
RWTH Aachen	7	Physik
Uni Mainz	6	Physik
HU Berlin	4	Physik
Uni Rostock	4	E-Technik
Uni Siegen	4	Physik

# Analyse

# Angebot

Im Jahr 2019 boten 10 (im Draft steht 14 )Universitäten in Deutschland Lehrveranstaltungen zum Thema Beschleuniger an.
An einer Universität sind die Veranstaltungen der Elektrotechnik zugeordnet, an neun der Physik, an einer sowohl der Elektrotechnik als auch der Phyik.
Es gibt weder eine übergreifende Fachrichtung noch Master-Studiengänge, die dem transdisziplinärem Fach entsprechen würde.

# Bedarf

In der akadmischen Bescheunigerforschung gibt es deutschlandweit einen jährlichen Bedarf an ca. 200 Spezialistinnen und Spezialisten, angestellt werden aber nur ca. 100.
Weitere 50 Beschleunigerspezialisten werden jährlich in der Industrie angestellt.
Deutschland als internationaler Spitzenmitbewerber in Beschleunigerforschung braucht den Studiengang, um seine Positionen auf dem Gebiet zu verstärken.

# Geringer Austausch

Zur Zeit haben die Beschleunigerzentren Deutschlands zu wenig Austausch. Die Elektronen-Leute wissen nur wenig über die Ionen und umgekehrt. Es gibt zwar Sommerschulen in DESY und GSI, aber keine „German accelerator school“.

# Ziele

Nachwuchsgenese
Neue Zielegruppen erschließen
Lehrqualität verbessern
Zusammenarbeit zwischen Zentren verbessern
Spitzenposition verteidigen

# Empfehlungen

Es gibt viele verschiedene Wege, die Ausbildung der Beschleunigerphysiker und Ingenieure zu gestalten, wie z.B. Vertiefungen, Vorlesungen, Master-Studiengänge, Projekt-orientierte Praktika. All das will KfB unterstützen.

# Vielfalt nutzen

# Digitalisierung

# Fachrichtung »Beschleunigerforschung«

Breite Karrieremöglichkeiten sollen vorhanden bleiben.
Es soll Möglichkeiten für Physiker und Ingenieure geben (verschiedene Vertiefungen)
Hochspezialisierte Kurse als Online-Vorlesungen darstellen, die von verschiede- nen Universitäten mitbenutzt werden können. Dafür braucht man einmalig viel Fördermittel, allerdings muss man die Experten nur einmal besetzen.
Eventuell auch als internationalen Fernstudiengang anbieten.
Kurs virtuell akkreditieren?
Frei wählbare Masterarbeiten und Praktika in verschiedenen Beschleunigerzen- tren.

# Ziele

Produktionskapazität aufbauen
Industriestandort stärken
Steuereinnahmen generieren

# Analyse

# Vorbild µTCA

# Unternehmen (medizinisch/nich-medizinisch)

# Märkte (medizinisch/nich-medizinisch)

Unde nihil voluptatem nostrum similique. Qui nam odit sunt minima doloremque non. Maxime odit recusandae tempora nihil libero. Id doloremque labore magni minima eum amet nam.

Et quam perspiciatis temporibus non non accusamus quod eos. Nulla possimus cumque voluptatem reprehenderit aut enim maiores. Quod quae dolorem et magni nulla voluptatem enim doloribus reiciendis.

# Analyse

# Website, Broschüren

Magni qui odio ut quia. Culpa et eveniet nostrum ut. Totam repellendus eum eos assumenda. Perferendis iure ipsum. Modi beatae sunt officia.

Officiis minus voluptate quo molestias sit. Voluptatum et est et id voluptas quidem. Adipisci autem accusamus ut quis.

# Führungen, Vorträge

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# Ziele

Open Data
Community Building

# Empfehlungen

# Lattice-Repository

Rerum ut asperiores ab voluptatem et ea voluptatem sed cum. Voluptates enim et nihil numquam vitae odit adipisci. Perferendis tempore placeat quia hic maiores assumenda nesciunt. Consectetur veniam dignissimos tempore. Enim nulla voluptate itaque aliquam sit sed.

Nihil saepe eos rerum quia saepe nam et aut. Veritatis officia officiis voluptatem non. Ipsum eveniet sunt atque cumque dolorem laborum sit. Et rerum rerum quam ipsam exercitationem impedit reprehenderit illum quaerat. Molestiae esse ex. Corrupti maxime et voluptate.

# 3D-Visualisierung

Nesciunt sint accusantium placeat explicabo. Et quibusdam neque eius. Assumenda cum quia accusamus quisquam. Saepe eum dolor tempora cum quod non quo qui aut. Aspernatur optio debitis laboriosam quia consequatur placeat assumenda.

Autem pariatur natus aliquam rerum enim id. Accusamus aut impedit explicabo vero optio. Similique hic et consequuntur molestiae consequatur. Ut non dolorum rerum omnis qui. Corporis odio incidunt non ut neque ullam quisquam. Aliquam eos est dolor consectetur mollitia quae necessitatibus repellendus nemo.

# Simulationsspiel »Pathicles«

Voluptatibus exercitationem pariatur quia sed quia rerum est voluptatum. Ab optio sunt nostrum veniam in aliquid.

Reiciendis vel officia aliquid officiis maiores nostrum est. Et perferendis perferendis.

Teil C

Forschungsprogramm

Ziel: Anlagengröße

Ziel: Baukosten

Ziel: Betreibbarkeit

Ziel: Betriebskosten

Ziel: Energieeffizienz

Ziel: Netzstörungsempfindlichkeit

Ziel: Emittanz

Ziel: Hohe Ströme

Ziel: Niedrige Ströme

Ziel: Teilchenenergie

Ziel: Variable Pulsstruktur

Ziel: Datenrate

Ziel: Verfügbarkeit

# Anlage

# Anlagengröße

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# Baukosten

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# Betriebskosten

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# Betreibbarkeit

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# Energieeffizienz

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# Teilchenstrahl

# Teilchenenergie

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# Emittanz

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# Variable Pulsstruktur

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# Maximale Intensität

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# Minimale Intensität

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# Nutzer

# Verfügbarkeit

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# Datenrate

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Teilchenphysik

Kernphysik

Forschung mit Neutronen

Forschung mit Photonen

# Teilchenphysik

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# Kernphysik

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# Forschung mit Photonen

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# Forschung mit Neutronen

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# ARES

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# ATHENA

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# AWAKE

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# AXSIS

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# bERLinPro

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# cSTART

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# DRACO

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# EuPRAXIA

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# FLASHForward

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# FLUTE

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# JETI

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# KARA

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# PHELIX

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# PITZ

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# Supralab

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Testanlage: Athena

Testanlage: DRACO

Testanlage: JETI

Testanlage: PITZ

Testanlage: ARES

Testanlage: cSTART

Testanlage: FLUTE

Testanlage: BerlinPro

Testanlage: AXSIS

Testanlage: FLASHForward

Testanlage: PHELIX

Testanlage: KARA

Testanlage: EuPRAXIA

Testanlage: AWAKE

# Digitalisierung

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# Energiewende

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# Ultrakompakte Anlagen

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# Kompakte Anlagen

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# Hohlraumtechnologie

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# Magnettechnologie

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# Materialien

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# Strahlmodellierung

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# Messung & Kontrolle

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Digitalisierung

Energiewende

Ultrakompakte Anlagen

Kompakte Anlagen

Hohlraumtechnologie

Magnettechnologie

Materialien

Mesung und Kontrolle

Strahlmodellierung

Alle durch Simulationen und Messungen erzeugte relevanten Daten und/oder E-Laborbücher und Lattices, sollen (evtl. nach einer Embargo-Periode) zugreifbar werden

„Open Data für Beschleunigerphysik“ nach „FAIR“ Prinzipien (findability, accessibility, interoperability, and reuse)

Man soll die Wissenschaftler motivieren, bzw. durch Vorschriften dazu bringen, ihre Daten hochzuladen. Der offene Zugriff wird auch die Qualität der Daten bzw. Codes steigern.

Den Überblick über Simulationstools und deren Unterschiede verschaffen.

Die vorhandene Beschleunigerphysik-Codes zu standardisieren und als Python-Bibliotheken darstellen. Es wäre auch für die Ausbildung des Nachwuchses sehr vorteilhaft.

Bereits im Studium die Standards der Digitalisierung einbringen (Version Control, Machine Learning, Beschleunigerphysik-Codes in Jupyter Notebook usw.).

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Beschleunigeranlagen, die zu Forschungszwecken betrieben werden, benötigen erhebliche Energiemengen, um die von den Nutzern gewünschten Strahleigenschaften zur Verfügung zu stellen. Insbesondere bei neuen Projekten wird deswegen die Frage nach der Nachhaltigkeit durch Geldgeber und Gesellschaft gestellt werden. Wir müssen dafür sorgen, dass die effizientesten Lösungen für das Erreichen der geforderten Strahlparameter erreicht werden. Das erfordert dedizierte Förderung von Forschung und Entwicklung von effizienten Beschleuniger-komponenten und -konzepten. Auch die Betrachtung von bewährter Technologie unter diesem Aspekt kann signifikante Fortschritte ermöglichen (``Super Klystron’’…) .

Die geplanten und vorhandenen Forschungsstandorte verfügen über einmalige Infrastruktur und Expertise, um neue Techniken zu entwickeln, in Zusammenarbeit mit der Industrie vom Prototypenstatus zur Einsatzreife zu bringen und produktiv einzusetzen (Höchstspannunsgversorgung, Supraleitung, Kryogenik: z.B. innovative Energiespeicher).

Der hohe Energiebedarf gepaart mit dem Forschungsauftrag, ermöglicht es Methoden zur Netzstabilisierung und Energiemanagement, Nutzung von Abwärme usw. in einem Forschungsumfeld zu entwickeln produktiv einzusetzen und generische Lösungen, z.B. Kühl- und Heizkonzepte, zu entwickeln, die sich auf andere Industriezweige übertragen lassen (Green IT Cube am GSI, Abwärmenutzung ISS, Lastmanagement, Dieseltest mit Einspeisung und Wintershutdown am CERN).

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# Energieeffizienz des LHC

Der LHC ist der leistungsstärkste Beschleuniger der bisherigen Menscheitsgeschichte und beschleunigt Protonen auf jeweils 7 TeV. Die in beiden Teilchenstrahlen gespeicherte Energie entspricht der Bewegungsenergie eines TGV (200 m) bei 150 km/h. Alternative ließe sich damit eine Tonne Kupfer schmelzen. (sieghe )

Doch für dieses Ergebnis muss der LHC-Beschleuniger mit 14,8 Megawatt versorgt werden, womit sich ein Wirkungsgrad von gerade einmal 0,14 ergibt. In Bezug auf die Leistungsaufnahme des gesamten LHC-Komplexes (87 Megawatt), fällt der Wirkungsgrad sogar nur auf ein Fünftel Promille. (siehe )

# Beispiel ESS

# Holraumresonatoren

In modernen Beschleunigern wie dem LHC, wie bei FAIR oder bei European XFEL erfolgt die Energieübertragung über ein elektrisches Wechselfeld im Innern von evakuierten metallischen Kammern. Dieses Feld schwingt mit Frequenzen im Mikrowellenbereich und wird durch die Einspeisung von Mikrowellen in die Hohlkammern hervorgebracht. Dieses Verfahren ist seit 1951

# Normal- oder supraleitend

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Für die metallische Hülle des Hophlraumes stehen zwei grundlegende Optionen zur Auswahl, die beide jeweils Vor- und Nachteile haben. Normalleitende Metalle wie Kupfer können bei Raumtemperature betrieben werden, während supraleitende Niob auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes gekühlt werden muss.

# Limitierender Faktor

Je stärker das Wechselfeld, umso größer die Beschleunigung. Die Feldstärke kann jedoch nicht beliebig erhöht werden, da es spätestens ab einer Feldstärke von über 100 Megavolt pro Meter zu Blitzentladungen kommt.

Proposed colliders like the International Linear Collider aim to investigate physics at the Higgs scale—around 125 GeV. To reach that energy, electrons and positrons would each have to travel through about 8 miles of cavities. Unless the accelerating technology improves, machines will have to get larger and larger to reach higher energies where physics beyond the Standard Model may be hidden.

# Normal- oder supraleitend

# Plasmabasierte Beschleuniger

Teilchenbeschleuniger auf Plasmabasis versprechen tausendmal höhere Beschleunigungsfelder als herkömmliche Hohlraumresonatoren. Als »Kavität« dient in einem Plasma-basierten Beschleuniger ein nur wenige Zentimeter langes Plasma, in dem durch einen externe Treiber eine Region mit Ladungstrennung entsteht in deren Inneren extrem hohe Feldstärken herrschen. Je nach Art des Treibers unterscheidet man zwischen laser- und teilchenstrahlgetriebenen Plasmawakefieldbeschleunigung.

# Teilchen-Plasma-Beschleuniger

Teilchenstrahlgetriebene Plasmawakefieldbeschleunigung (PWFA) ermöglicht die Skalierung von plasmabasierten Beschleunigungsprozessen zu hohen Energien (von GeV zu TeV), zu hohen Wiederholraten (bis zu MHz), zu hohen Effizienzen (bis zu ~10%) und zu hohen Durchschnittsleistungen (von W zu kW bis MW) unter Anwendung und Weiterentwicklung existierender technologischer Konzepte. Damit ist diese Art der Teilchenbeschleunigung insbesonders interessant für zukünftige Anwendungen in der Hochenergiephysik. Derzeit existieren zwei für die Deutsche Wissenschaftsgemeinde zukunftsweisende Projekte, AWAKE am CERN, Genf, und FLASHForward am DESY, Hamburg, die hochrelevante strategische Entwicklungen auf dem Gebiet der PWFA im Laufe der nächsten 10 Jahre ermöglichen werden. AWAKE zielt unter Nutzung der existierenden hochenergetischen Protonenstrahlen am CERN zur Elektronenbeschleunigung auf die Demonstration des maximalen Energiezuwachses in einer einzelnen Plasmastufe. Erste Physikanwendungen bei hohen Energien (>100 GeV) werden voraussichtlich um 2030 möglich sein. Dazu vollständig komplementär entwickelt FLASHForward eine kaskadierbare Plasmastufentechnologie zur Elektronenbeschleunigung im multi-GeV Bereich, die auf maximale Effizienz, Wiederholrate, und Durchschnittsleistungen im 10 kW Regime fokussiert. Die Demonstration einer einzelnen Stufe soll bis 2028 abgeschlossen sein. Diese Technologie könnte als Nachbeschleuniger in existierenden Linearbeschleunigern eingesetzt werden (z.B. für Freie-Elektronen-Laser) und soll im dann folgenden Jahrzehnt für den Einsatz in der Hochenergiephysik vorbereitet werden.

# PWFA

Teilchenstrahlgetriebene Plasmawakefieldbeschleunigung (PWFA) ermöglicht die Skalierung von plasmabasierten Beschleunigungsprozessen zu hohen Energien (von GeV zu TeV), zu hohen Wiederholraten (bis zu MHz), zu hohen Effizienzen (bis zu ~10%) und zu hohen Durchschnittsleistungen (von W zu kW bis MW) unter Anwendung und Weiterentwicklung existierender technologischer Konzepte. Damit ist diese Art der Teilchenbeschleunigung insbesondere interessant für zukünftige Anwendungen in der Hochenergiephysik. Derzeit existieren zwei für die Deutsche Wissenschaftsgemeinde zukunftsweisende Projekte, AWAKE am CERN, Genf, und FLASHForward am DESY, Hamburg, die hochrelevante strategische Entwicklungen auf dem Gebiet der PWFA im Laufe der nächsten 10 Jahre ermöglichen werden. AWAKE zielt unter Nutzung der existierenden hochenergetischen Protonenstrahlen am CERN zur Elektronenbeschleunigung auf die Demonstration des maximalen Energiezuwachses in einer einzelnen Plasmastufe.

Erste Physikanwendungen bei hohen Energien (>100 GeV) werden voraussichtlich um 2030 möglich sein. Dazu vollständig komplementär entwickelt FLASHForward eine kaskadierbare Plasmastufentechnologie zur Elektronenbeschleunigung im multi-GeV Bereich, die auf maximale Effizienz, Wiederholrate, und Durchschnittsleistungen im 10 kW Regime fokussiert. Die Demonstration einer einzelnen Stufe soll bis 2028 abgeschlossen sein. Diese Technologie könnte als Nachbeschleuniger in existierenden Linearbeschleunigern eingesetzt werden (z.B. für Freie-Elektronen-Laser) und soll im dann folgenden Jahrzehnt für den Einsatz in der Hochenergiephysik vorbereitet werden.

# Laserplasmabeschleuniger

Der weltweite Fortschritt in Stabilität und Qualität lasergetriebener Wakefieldbeschleunigung (LWFA) erlaubt heute die systematische Vorbereitung der nächsten Generation von Plasmabeschleunigern mit dem Ziel, kompakte und damit dezentral einsetzbare Anlagen für wissenschaftliche und gesellschaftsrelevante Anwendungen zu entwickeln. Basis für Deutschalands aktuell führende Rolle ist die Kombination aus in Verbünden entwickelter innovativer Diagnostik des Lasers und des Plasmas auf mikroskopischer Skala, aus dedizierter Methodenentwicklung für größte Comuptersimulationen und modernster zwischen Industrie und Forschung vernetzter Hochleistungslaserinfrastruktur. Meilensteine der Entwicklung dieser nächsten Generation von Plasmaelektronenbeschleunigern sind die Demonstration von FEL Verstärkung, die Kaskadierung von Plasmabeschleunigermodulen und ihre Ankopplung an klassische Maschinen, beispielsweise als kompakte Injektoren. Die zentrale Erhöhung der Pulswiederholrate stellt in allen Fällen hohe Anforderungen an die Laserentwicklung und an das Plasmatarget, eröffnet aber auch neue Möglichkeiten wie die Etablierung intelligenter Feedbacksysteme.

Für die Medizin stellen Laserionenbeschleuniger vielversprechende Alternativen im Strahlentherapieumfeld dar, wobei die Lösung zentraler Herausforderungen, die Wiederholfrequenz der zukünftig verfügbaren Hochleistungslaser, weiterer Grundlagenforschung bedürfen.

Ein Vorteil der LWFA sind die inherent entstehenden ultra-kurzen Elektronenpakete, denn diese sind eine Quelle für hoch-intensive THz Strahlung. Ein Nachteil besteht in der niedrigen Wiederholrate.
Speicherringe wiederum haben eine Wiederholrate im MHz Bereich, aber um mehrere Größenordnungen längere Elektronenpakete. Mit einem LWFA als Injektor für einen Speicherring könnten die Vorteile beider Technologien kombiniert werden.

Eine Herausforderung ist die große Energiebreite der Elektronenpakete, die eine Speicherung in konventionellen Ringbeschleunigern erschwert. Hierfür bedarf es weiterer Grundlagenforschung zur Entwicklung von Speicherringen mit großer Energie-Akzeptanz, wie sie Bereits im cSTART Projekt stattfindet.

Während der Technischen Design Phase von PETRA IV ist ebenfalls Grundlagenforschung für einen LWFA Injektor geplant.

# Dielectric

Eine weitere Methode für ultra-kompakte Kavitäten bilden dielektrische Materialien. Deswegen werden Beschleunigertechnologien bei höheren Frequenzen, im THz-Bereich bis hin zu optischen Frequenzen, gegenwärtig intensiv erforscht. Grund dafür ist, dass bei hohen Frequenzen kürzere Treiberimpulse (ns und sub-ns) möglich sind und sich dies vorteilhaft auf Durchbruchsfeldstärken und generell Zerstörschwellen von dielektrischen Materialen und Metallen auswirkt. Je nach Frequenz ermöglicht dies hoch-brillante ultrakurze Elektronenpakete mit Ladungen im Bereich von Femto- bis Pikocoulomb aus sehr kompakten Quellen um damit hochenergetische Elektronenquellen für Schlüsseltechnologien wie z.B. die ultraschnelle Elektronenbeugung oder Elektronenmikroskopie sowie kohärente Kurzpulsröntgenquellen für Röntgenanalytik bereitzustellen. Es muss dabei die gesamte Technologiekette von Hochleistungsquellen für die entsprechenden Wellenlängenbereiche bis hin zu neuen Elektronenquellen, Beschleunigerkomponenten sowie Diagnostiken für ultra-kurze Elektronenpakete und Simulationswerkzeugen in großem Umfang neu gedacht werden.

In modernen Wechselspannungs-Beschleunigern erfolgt die Energieübertragung auf die zu beschleunigenden Teilchen innerhalb metallener Hohlräume …

Dieses Feld schwingt in den Resonatoren, wobei es an den Oberflächen Ströme erzeugt.
Um Energieverluste durch diese Ströme klein zuhalten ist es vorteilhaft, die Oberfläache der Kavitäten mit supraleitenden Materialen zu verkleiden.

Dies gilt speziell für kontinuierlichen Betrieb, hohe Felder oder für hohe Energien, also wenn viele Kavitäten notwendig sind.

Dadurch ist diese Technologie essentiell für zukünftige Beschleunigeranlagen mit anspruchsvollen Anforderungen.

Aufgrund der Teilnahme an zahlreichen Linear-Beschleunigerprojekten ist Deutschland ein sehr starker Standort in der Entwicklung supraleitender Hochfrequenztechnologie.

Die Forschung ist diesbezüglich sehr aktiv und erfolgreich und zwar nicht nur innerhalb von Großprojekten sondern auch an Universitäten.

# Anwendbarkeit

Das übergeordnete Ziel der Forschung richtet sich auf die Erhöhung der Anwendbarkeit supraleitender Kavitäten.Momentan sind sehr niedrige Temperaturen notwendig, um Supraleitung herzustellen, was einen aufwändige Kühlungsinfrastruktur erfordert. Auch die Herstellung dieser Kavitäten ist sehr aufwändig und kompliziert, insbesondere da sie oft für spezielle Anwendungen optimiert und daher Unikate sind.

Ein Forschungsschwerpunkt widmet sich daher der Beschichtung mit neuen Supraleitermaterialien. Damit kann nicht nur die Feldstärke und damit Beschleunigungskraft erhöht werden, speziell Hochtemperatursupraleiter versprechen eine Vereinfachung der Kühl-Infrastruktur, damit eine höhere Effizienz und bessere Anwendbarkeit für kleinere Labore und Unternehmen.

# Serienfertigung

Ein weiterer Schwerpunkt ist die qualitativ hochwertige Serienfertigung. Eine Vereinfachung der Fertigungsverfahren ermöglicht eine bessere Produktion und eine Verringerung der Ausschussraten speziell bei
hohen Qualitätsanforderungen für Präzisionsmaschinen für die Teilchenphysik.
Dies ermöglicht eine bessere Kooperation mit Industriepartnern wenn es um hohe Stückzahlen bei Großprojekten geht.

Zur Herstellung der Beschichtungen und Oberflächen der Kavitäten sind komplizierte Verfahren notwendig, die bei hohen Qualitätsanforderungen für Päzisionsmaschinen wie in der Teilchenphysik zu sehr hohen Ausschussraten führen.

# Alternative Materialien

Bulk Niob cavities: state of the art (45-50 mv/m) 20-30 in Serie (gepulst), 15-16 in cw-Betrieb XFEL, sehr gute Tesla Kavitäten, verbesserte Güte durch Stickstoffdoping (Ergebnisse reproduzierbar, aber noch widersprüchliche Forschungsergebnisse, Effekte müssen erst noch richtig verstanden werden)

Alternative Präparationsmethoden, qualitativ hochwertige Serienfertigung → Hohe Aus- schussrate im Falle der Anforderung von ILC

Alternative materialen, Nb3Sn, etc. Höhere Felder brauchen Supraleiter mit höherer Sprungtemperatur und kritischem Feld Nb3Sn würde versprechen Felder bis 100 MV/m zu erreichen (momentan bei 10 MV/m) Herstellung schwer Sputtering vs. Vapor, Verfah- ren müssen weiterentwickelt werden

Langzeitbetrieb Erfahrung, Wartung, warum werden die Kavitäten schlechter? Dres- den: verfügbare Feldstärke/Güte lässt nach, cavity dem strahl/Unfällen ausgesetzt De- gradationsmechanismen, wie kann man die Betriebserfahrung nutzen um neue Be- schleuniger zu bauen → JLAB an cebaf → regelmäßige Wartung und Austausch not- wendig → übergeordnetes Ziel: Erhöhung der Anwendbarkeit

# Anforderungen für zukünftige Beschleuniger

FCC: Niob sputtering auf Kupfer bzw. Nb3Sn wenn positive Weiterentwicklung ILC: gu- te Zusammenarbeit mit Industrie notwendig, da 16000 cavities gebraucht werden ERL: riesige cw Strahlleistung, hohe HOM-Lasten, wie läuft deren Dämpfung, wie kriegt man hohe Leistungen aus den kalten Bereichen raus?
Höhere Temperaturen bedeuten weniger Aufwand für Kryotechnik, die Technologie ist dadurch besser zu verbreiten, effizienter und preiswerter
16 Beschleuniger 2030

iob auf Kupfer wäre stabiler und besser zu kühlen

Srf für hadron linacs: CH Kavitäten, heliac projekt, (noch nicht gefördert) Treiber für super heavy production, Schwerionen, Suche nach super schweren Elementen 1) Kom- plexe Multizellenstruktur auf niedrigen Frequenzen, erste Prototypen erfolgreich getestet 2) Gun Cavities → Daten sammeln und Simulationsabgleich momentan schwer, weil nur Firmen cavities in Deutschland produzieren, lässt sich eine Datenbank einrichten? → Labor/Institut, das in selber cavities bauen kann, weil die Firmen die Daten nicht rausgeben

Koppler Hohe Leistung notwendig, LHC-Koppler soll weiterentwickelt werden, Kontroll- systeme weiterentwickeln, weniger reflektierte Leistung, niedrigere Vorlaufleistung

Schwieriger: Kavitäten für niedrigere Energie/schwere Teilchen (im nicht-rel. Bereich) → andere Kavität für jeden Bereich im Beschleuniger (längere Röhren) Schwer produzier- bar für Industrie da meist Unikate

# Starker Standort

Deutschland ist ein sehr, sehr starker SRF Standort. Es gibt allerdings nur eine Firma aber kein einziges Institut, das selber Cavities von A bis Z bauen kann. Gerade für spezielle Anwendungen wäre es wichtig, die Erfahrungen in der Produk- tion zu sammeln und zugänglich zu machen. Hierfür wird empfohlen, einen Cavity- Produktionsstandort im wissenschaftlichen Bereich im schaffen.
Um den Standort Deutschland im Bereich SRF zu stärken, sollte die Anwendbar- keit von SRF erleichtert werden. Wir empfehlen auf einen eigenständiges SRF- Modul hinzuarbeiten, das eigenständig ohne große Kryoanlage auskommt. Wir denken hierbei an eine Art SRF-Kit, das mit eigenem Cryocooler ausgestattet ist und modular im Baukastenprinzip skalierbar ist. Ein solches Modul wäre bestimmt stark gefragt und könnte auch gut vermarktet werden.

https://www.symmetrymagazine.org/article/physicists-build-ultra-powerful-accelerator-magnet

# Hochtemperatur-Supraleitung

Einsatz in Magneten für FCC-hh

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# Unterthemen

Beschichtungen für XHV
Strahlungsharte Materialen: Kollimatoren
HTS Materialien für Beschleuniger (MF Aspekte)

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# Unterthemen

Integration Simulation/Optimierung/Betrieb neue Anlagen
Plasmabeschleuniger: Simulation/Optimierung
Strahlkühlung: Neue Verfahren für hohe Energien

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# Unterthemen

Strahldiagnose
Strahlqualität
Magnetcharakterisierung
Alignment
Mess- und Regelsysteme
Laser-Kontrolle
ultra-kurze Pulse

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# Digitalisierung

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# Energiewende

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# Ultrakompakte Anlagen

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# Kompakte Anlagen

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# Hohlraumtechnologie

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# Magnettechnologie

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# Materialien

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# Strahlmodellierung

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# Messung & Kontrolle

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Digitalisierung

Energiewende

Ultrakompakte Anlagen

Kompakte Anlagen

Hohlraumtechnologie

Magnettechnologie

Materialien

Mesung und Kontrolle

Strahlmodellierung

Die Beschleunigerforschung darf und will sich aktuellen gesellschaftlichen Trends nicht verschießen. Im Gegenteil: Manchmal ist sie direkt oder indirekt an solchen Trends beteiligt.

Am Forschungszentrum CERN bei Genf, das seit Jahrzehnten die weltweit größten Beschleunigeranlagen betreibt, wurde im Jahr 1989 ein neuartiges Hypertext-System aufgebaut, um eine unkomplizierte Kommunikation von Nachrichten und Forschungsdaten zu ermöglichen. Was damals wie eine Spielerei weniger Experten erschien, gilt heutzutage als die Ikone des digitalen Zeitalters: das World Wide Web.

An mehreren Beschleunigerzentren wie FERMILAB unweit von Chicago, DESY in Hamburg und CERN wurde die Technologie der Supraleitung weiterentwickelt, sodass nun Magnete und Hochfrequenzresonatoren mit hoher Energieeffizienz betrieben werden können. Nur so wurde es möglich, in einem Beschleuniger wie dem Large Hadron Collider Protonen auf eine Energie von 7 Teraelektronenvolt zu beschleunigen und zum Beispiel das Higgs-Teilchen direkt nachzuweisen.

Von der Grundlagenforschung bis zur Krebstherapie sind Beschleuniger an vielen gesellschaftlich relevanten Entwicklungen beteiligt.

# Strategien kurzgefasst

Nutzung moderner Rechner- und Netzwerkarchitekturen
Weiterentwicklung von Simulationsverfahren und Algorithmen
Einsatz von Methoden der künstlichen Intelligenz
Leistungsfähiges Forschungsdatenmanagement
Verbesserung der Energieeffizienz
Zusammenarbeit mit anderen Fachbereichen und der Industrie

# Digitalisierung

Die Steuerung einer komplexen Beschleunigeranlage hat schon früh den Einsatz digitaler Techniken erfordert, um Tausende von Parametern über große Strecken schnell und verlustfrei zu übertragen. Der Umfang der Forschungsdaten, die beim Betrieb von Beschleunigern etwa in der Teilchenphysik oder bei der Röntgenbeugung anfallen, geht stets bis an die Grenzen der digitalen Übertragung und Verarbeitung.

Eine weitere Grenze ist die Geschwindigkeit, mit der die physikalischen Vorgänge etwa in einem Freie-Elektronen-Laser oder einem Plasmabeschleuniger modelliert werden können. Bei der Entwicklung neuartiger Beschleuniger lassen sich viele physikalische Parameter, von denen letztlich auch die Bau- und Betriebskosten abhängen, nicht mehr zuverlässig abschätzen und müssen in umfangreichen Simulationsrechnungen ermittelt werden. Ziele sind hierbei die Verbesserung von Algorithmen sowie die effiziente Nutzung moderner Computertechnologie wie zum Beispiel hochgradig vernetzte Rechenkerne (Cluster), programmierbare Schaltkreise (FPGAs) oder massiv parallelisierte Grafikprozessoren (GPUs).

Die zuverlässige Steuerung einer Beschleunigeranlage hängt von der Diagnose des Zustands aller Komponenten und des Teilchenstrahl ab, wobei die gemessenen Parameter zum Teil über Regelschleifen direkt auf die Anlage zurückwirken. Hier liegen die Herausforderungen in der Entwicklung neuer Diagnosemethoden, der Erhöhung der Präzision und Geschwindigkeit von
Messungen sowie in der schnellen Übertragung und Verarbeitung der Messdaten. Die Entwicklung neuer Methoden betrifft zum Beispiel die Diagnose von ultrakurzen Teilchenpaketen und Strahlungspulsen in Freie-Elektronen-Lasern und Laser-Plasmabeschleunigern.

Bei der Steuerung und Regelung von Beschleunigerparametern werden zunehmend Methoden der künstlichen Intelligenz eingesetzt. Während früher die Rechenleistung zur effizienten Anwendung dieser Methoden nicht zur Verfügung stand, ist nun maschinelles Lernen mit neuronalen Netzen oder die Optimierung von Parametern mit genetischen Algorithmen möglich geworden.

Datenmanagement ist auch in der Beschleunigerforschung ein wichtiges Thema. Der direkte Zugriff auf relevante Forschungsdaten und die Standardisierung von Simulationsprogrammen ist nicht nur für die koordinierte Zusammenarbeit zwischen Projektpartnern essentiell, sondern auch für die Ausbildung gewinnbringend. Einheitliche Programmbibliotheken und Entwicklungsumgebungen erleichtern Studierenden den Zugang zur Beschleunigerforschung.

# Energieeffizienz

Der Einsatz von supraleitenden Magneten und Beschleunigungsstrukturen ist ein Beitrag zur Energieeffizienz, der Beschleuniger wie den Large Hadron Collider oder den Europäischen Röntgenlaser überhaupt erst ermöglicht hat. Neben der Erweiterung des Machbaren sind aber Energiereduzierung und Nachhaltigkeit gesellschaftliche Ziele, die sich die Beschleunigerforschung zu eigen machen sollte.

Bewährte Technologien können in Zusammenarbeit mit Ingenieurswissenschaften wie Elektrotechnik und Maschinenbau optimiert werden, um die Energieeffizienz von Beschleunigeranlagen zu erhöhen. Methoden zur Stabilisierung von Energienetzwerken, Heiz- und Kühlkonzepte sowie die Nutzung von Abwärme müssen konsequenter als bisher von großen Industrieanlagen auf Beschleuniger übertragen oder neu entwickelt werden.

Neben der Verbesserung von supraleitenden Materialien mit höherer Sprungtemperatur und geringerem Kühlungsaufwand spielt die Entwicklung von effizienten Hochfrequenzverstärkern eine Rolle. Eine weitere Möglichkeit zur Energieeinsparung ist der Einsatz von Permanentmagneten, der bei Undulatoren zur Erzeugung von Synchrotronlicht bereits etabliert ist, aber zunehmend auch für kompakte Magnetstrukturen in Speicherringen diskutiert wird. Zusätzlich zum direkten Energieverbrauch wird hierbei auch der Aufwand für Kühlwasser reduziert.

Auch bei der Entwicklung neuartiger Beschleunigertechnologien ist die Energieeffizienz ein wichtiges Argument. Neben einer kompakten Bauweise, die Platz und Kosten reduziert, kann zum Beispiel die Entwicklung energieeffizienter Lasersysteme einen Beitrag leisten.

Seit 1911 ist bekannt, dass einige Materialien keinen elektrischen Widerstand mehr zeigen, wenn man sie unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur abkühlt, die meist wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt. Den Möglichkeiten dieser sogenannten Supraleitung zur Erzeugung hoher Magnetfelder und der energieeffizienten Beschleunigung von Teilchen steht ein hoher Aufwand gegenüber, um mit verflüssigtem Helium zur Sprungtemperatur zu gelangen. Im Jahr 1986 wurden Hochtemperatur-Supraleiter entdeckt, deren Sprungtemperatur sich viel wirtschaftlicher mit flüssigem Stickstoff erreichen lässt. Allerdings sind die bislang bekannten Materialien sehr spröde und lassen sich nicht zu Spulen oder Hochfrequenzresonatoren verarbeiten.

Im Detail hängen die Anforderungen an supraleitende Materialien hängen sehr davon ab, ob sie für die Beschleunigung von Teilchen in Hochfrequenzresonatoren oder zur Führung eines Teilchenstrahls in Magneten verwendet werden.

Weiterentwicklung supraleitender Resonatoren und Magnete
Suche nach neuen Materialien und verbesserten Fertigungstechniken
Wissenschaftlicher Produktionsstandort für supraleitende Resonatoren
Entwicklung modularer supraleitender Beschleunigungsstrukturen
Erhöhung der Feldstärke supraleitender Magnete
Entwicklung kompakterer Hochfeld-Magnetstrukturen

# Supraleitende Resonatoren

Bei der Beschleunigung von Teilchen mit Radio- und Mikrowellen in einem Resonator entstehen an dessen Oberflächen Ströme, die aufgrund des elektrischen Widerstands den Resonator Wärme erzeugen. Um den Energieverlust zu begrenzen, werden Resonatoren entweder mit geringer Leistung oder gepulst betrieben. Ein kontinuierlicher Betrieb mit hoher Leistung erfordert Resonatoren, die aus supraleitendem Material bestehen oder damit beschichtet sind.

Der 9-zellige TESLA-Resonator aus hochreinem Niob wurde unter starker Beteiligung deutscher Forschungszentren und Universitäten für den Europäischen Röntgenlaser (XFEL) und einen zukünftigen International Linear Collider (ILC) entwickelt. Beide sind für Elektronen ausgelegt, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Resonatoren für Protonen und Ionen, wie sie zum Beispiel an der Universität Frankfurt entwickelt werden, hängen von der jeweiligen Teilchengeschwindigkeit ab und sind immer Unikate mit entsprechendem Entwicklungs- und Produktionsaufwand.

Weltweit sind nur wenige Firmen in der Lage, supraleitende Beschleunigungsstrukturen herzustellen. In Zusammenarbeit mit der Industrie konnte die in Serienproduktion erreichbare elektrische Feldstärke bei akzeptabler Ausschussrate enorm erhöht werden. Beim XFEL werden 928 TESLA-Resonatoren mit einer Feldstärke von 23,4 Megavolt/Meter eingesetzt, beim ILC werden es ca. 17000 sein, wenn die Feldstärke auf 31,5 Megavolt/Meter gesteigert werden kann. Ein Forschungsziel ist also die Erhöhung der beschleunigenden Feldstärke, von der die Kosten der Anlage wesentlich abhängen. Dies kann durch Verbesserung des Herstellungsprozesses, aber auch durch die Entdeckung alternativer Materialien erreicht werden. Ein Material mit höherer Sprungtemperatur würde zudem den Kühlungsaufwand verringert.
Weitere Forschungsziele sind die Verbesserung der Einkopplung der Hochfrequenzwelle in die Beschleunigungsstruktur sowie die Untersuchung und Vermeidung von Alterungsprozessen der Resonatoren.

Um insbesondere die Weiterentwicklung von Hadronenbeschleunigern in Deutschland zu unterstützen, sollte ein Produktionsstandort für supraleitende Resonatoren im wissenschaftlichen Bereich geschaffen werden. Ein Ziel ist hierbei könnte eine Beschleunigungsstruktur sein, die mit eigener Kühlung ausgestattet und modular skalierbar ist.

# Supraleitende Magnete

Aufgrund ihrer geringen Verluste durch Synchrotronstrahlung können Protonen und Ionen in Ringbeschleunigern auf wesentlich höhere Energien gebracht werden als Elektronen. Hierbei begrenzt das erreichbare Magnetfeld den Umfang des Rings. Beim Large Hadron Collider mit 7 Teraelektronenvolt Protonenenergie und einer Feldstärke der supraleitenden Magnete von 8,3 Tesla beträgt der Krümmungsradius der Protonenbahn bereits 2,5 Kilometer. Für einen zukünftigen Protonenring bei 50 Teraelektronenvolt, den Future Circular Collider mit einem Umfang von fast 100 Kilometern, muss das Magnetfeld auf 16 Tesla gesteigert werden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Magnete während des Beschleunigungsvorgangs zügig hochgefahren werden müssen.

Die Erprobung von Materialien, die Entwicklung geeigneter Fertigungstechniken und die Beherrschung der hohen mechanischen Kräfte bei solchen Feldstärken sind Gegenstand der Forschung im Rahmen mehrerer internationaler Programme wie EuroCirCol in Europa und USMDP in den USA.

Auch zur Erzeugung von Synchrotronlicht im Röntgenbereich werden supraleitende Magnete zunehmend verwendet. Dies sind meist einzelne Dipolmagnete oder Strukturen mit mehreren Dipolen, sogenannte Wiggler. Eine Herausforderung liegt in der Entwicklung kompakter abwechselnd gepolter Magnetstrukturen, sogenannter Undulatoren, um Strahlung hoher Intensität bei kürzeren Wellenlängen zu erzeugen.

Ein aktuelles Ziel der Beschleunigerforschung ist die Entwicklung kompakter Anlagen. Zum einen geht es um kleine Beschleuniger, die zum Beispiel an Universitäten für die Forschung, aber auch in Krankenhäusern oder in der Industrie kostengünstig eingesetzt werden können. Zum anderen soll es möglich werden, Großgeräte für die Kern- und Teilchenphysik oder auch Freie-Elektronen-Laser kompakter, energieeffizienter und kostengünstiger aufzubauen.

Das beschleunigende elektrische Feld kann über eine elektromagnetische Welle in einem Resonator aus Metall oder in einer dielektrischen Struktur, aber auch über eine Plasmawelle in einem ionisierten Gas erzeugt werden. Die Größe des Beschleunigers skaliert direkt mit der Wellenlänge und ist invers zur beschleunigenden Feldstärke.

In einem ringförmigen Beschleuniger oder Speicherring hängt die Größe der Anlage von der Teilchenenergie und der Stärke des ablenkenden Magnetfelds ab. Hier ergeben sich Möglichkeiten, Unikate aus dem Forschungsbereich in kommerzielle Produkte zu überführen. Es gibt bereits kompakte supraleitende Zyklotrons für den medizinischen Bereich sowie erste kompakte Synchrotronlichtquellen, deren Weiterentwicklung ein lohnendes Ziel ist.

Beschleunigung mit Zentimeterwellen und Terahertz-Pulsen
Speicherringbetrieb mit Laserpulsen statt Hochfrequenzwellen
Laser-Plasmabeschleuniger mit höherer Energie und Wiederholrate
Betrieb eines Freie-Elektronen-Lasers mit Laser-Plasmabeschleunigern
Ankopplung von Laser-Plasmabeschleunigern an konventionelle Anlagen

# Kompakte Hochfrequenzstrukturen

In den meisten Beschleunigern werden Radiowellen mit typischen Wellenlängen zwischen 1 und 0,1 Metern in metallischen Hohlraumresonatoren eingesetzt. Der Fortsetzung dieses Prinzips zu kleineren Wellenlängen bzw. höheren Frequenz sind technologische und Grenzen gesetzt. Wirtschaftlich sinnvoll ist der Einsatz von Hochfrequenzverstärkern, die für andere Anwendungen bereits existieren. Um zu höheren Feldstärken und kompakteren Beschleunigerstrukturen zu gelangen, werden Zentimeter- und Millimeterwellen diskutiert, die in der Radartechnik eingesetzt werden.

Auch bei der Beschleunigung durch Ferninfrarot(Terahertz)-Pulse mit Wellenlängen um 0,1 mm (100 m) sind zum Beispiel bei DESY in Hamburg erste Erfolge erzielt worden. Ein noch ambitionierteres Ziel könnte die Verwendung von Laserlicht vom Infrarot- bis Ultraviolettbereich mit Wellenlängen von 10 bis 0,1 m sein.

Je kürzer eine beschleunigende Struktur ist, desto kleiner ist auch ihr Durchmesser, was neue Herausforderungen für die Fokussierung des Teilchenstrahls mit sich bringt. Bei ringförmigen Beschleunigern kommt hinzu, dass die Unterschiede in der Weglänge bei einem Umlauf deutlich kleiner als die Wellenlänge sein müssen. In einem Experiment an der Metrology Light Source in Berlin wurde erstmals dem Elektronenstrahl mit einem Laser eine Struktur von 1 m Wellenlänge aufgeprägt, die über einen vollen Umlauf erhalten blieb.

# Plasmabeschleuniger

Statt einer elektromagnetischen Welle im Vakuum kann auch eine Plasmawelle in einem ionisierten Gas ein sehr hohes elektrisches Feld aufweisen, das zur Teilchenbeschleunigung geeignet ist. Solche Wellen können durch kurze Laserpulse oder auch Teilchenpakete erzeugt werden.

Die lasergetriebene Plasmabeschleunigung (laser wakefield acceleration, LWFA) hat weltweit bereits beachtliche Erfolge in der Stabilität und Qualität der erzeugten Elektronenstrahlen erzielt. Die aktuelle Führungsrolle Deutschlands gründet sich auf die Schaffung einer hervorragenden Infrastruktur mit Hochleistungslasern in Zusammenarbeit mit Industriepartnern, auf in Verbünden entwickelte Diagnostik der Laserpulse und der Plasmawelle sowie auf neue Methoden in der Computersimulation. Meilensteine bei der nächsten Generation von Laser-Plasmabeschleunigern sind die Demonstration eines Freie-Elektronen-Lasers, die Beschleunigung von Teilchen in mehreren Plasmastrukturen (Kaskadierung) sowie die Ankopplung von Plasmabeschleunigern an konventionelle Anlagen, z.B. als Injektor in einen Speicherring.

Die teilchenbasierte Plasmabeschleunigung (plasma wakefield acceleration, PWFA) besitzt das Potential, auch ohne Kaskadierung hohe Teilchenenergien zu erreichen und ist daher insbesondere für Anwendungen in der Kern- und Teilchenphysik von Interesse. Derzeit existieren zwei zukunftsweisende Projekte unter deutscher Beteiligung. AWAKE bei CERN verwendet hochenergetische Protonenstrahlen, um Elektronen beschleunigen. Um 2030 sollen Elektronen mit über 100 Gigaelektronenvolt für erste Anwendungen verfügbar sein. FLASHForward bei DESY nutzt Elektronenpakete, um einen sekundären Elektronenstrahl höherer Energie mit hoher Effizienz und Wiederholrate zu erzeugen. Dies soll bis 2028 etabliert sein und weitere Anwendungen für Freie-Elektronen-Laser oder die Teilchenphysik ermöglichen.

# Dielektrische Beschleuniger

Statt metallischer Hohlraumresonatoren können auch dielektrische Strukturen mit höheren Zerstörschwellen zur Teilchenbeschleunigung genutzt werden. Auch hier gibt es teilchenbasierte und laserbasierte Methoden, um ein beschleunigendes elektrisches Feld zu erzeugen.

Teilchenpakete in einer dielektrischen Röhre oder einer komplexeren Struktur hinterlassen eine „Wirbelschleppe“ elektromagnetische Felder (wakefields), die zur Beschleunigung nachfolgender Teilchen genutzt werden können.

Für die Beschleunigungstechniken mit Lichtpulsen vom Ferninfrarot- bis zum sichtbaren Wellenlängenbereich, die gegenwärtig intensiv erforscht werden, bieten sich dielektrische Strukturen aus Gläsern an. Sie sind für diese Lichtpulse durchsichtig, was verschiedene Möglichkeiten der Einkopplung eröffnet.

Denkbare Anwendungen sind die Erzeugung ultrakurzer Elektronenpakete für die zeitaufgelöste Elektronenbeugung und Elektronenmikroskopie sowie der Aufbau kohärenter Quellen für die Röntgenanalytik. Die gesamte Kette von Quellen für Elektronen und elektromagnetische Strahlung über die beschleunigenden Strukturen bis hin zur Diagnose ultrakurzer Pulse muss neu überdacht werden.

Die Konzeption und Realisierung neuer Beschleunigeranlagen beruht nicht nur auf der physikalischen Grundlagenforschung, sondern auch wesentlich auf dem Fortschritt in verschiedenen Basistechnologien. Neben Bauwesen, Maschinenbau, Elektrotechnik, Elektronik, Regelungstechnik und Informationstechnologie kommt der Materialforschung eine besondere Rolle zu, da insbesondere die Technologie supraleitender Magnete und Hochfrequenzresonatoren von der Entdeckung neuer Werkstoffe profitieren würde.

Fortschritte in der Vakuumtechnologie haben Teilchenbeschleuniger überhaupt erst ermöglicht, spielen aber auch bei der Entwicklung neuer Anlagen eine wichtige Rolle.
Seit den letzten zwei Jahrzehnten ist die Beschleunigerforschung auch immer enger mit der Lasertechnologie verknüpft. Die hier genannten Fachgebiete sollen exemplarisch für die enge Verzahnung von Physik und verschiedenen Ingenieurswissenschaften bei der Entstehung moderner Beschleuniger näher betrachtet werden.

Die Entdeckung und Entwicklung von neuen Materialien und Fertigungsverfahren ist unabdingbar, um für zukünftige Beschleunigerprojekte die Grenzen des technisch Machbaren weiter zu verschieben. Beispiele hierfür sind Materialien mit höherer Sprungtemperatur und besserem Langzeitverhalten für supraleitende Resonatoren und Magnete, Hochtemperatur-Supraleiter mit besseren Verarbeitungseigenschaften, Photokathoden mit höherer Quanteneffizienz und Stabilität für Elektronenquellen, Permanentmagnete mit höherem Feld und Strahlungsresistenz sowie Gettermaterialien zur Beschichtung von Vakuumkammern.

Während Beschleunigerzentren über Anlagen zur Untersuchung von Materialien sowie zu deren Verarbeitung und Oberflächenpräparation verfügen, liegt das theoretische Grundwissen primär bei den Universitäten in Fachbereichen wie Physik, Chemie und Maschinenbau. Die Beschleunigerforschung sollte die Materialwissenschaften in gemeinsamen Verbundprojekten und bereits im Studium der Beschleunigerphysik stärker einbinden.

Bessere Einbindung von Basistechnologien bereits im Studium
Neue Materialien und verbesserte Fertigungsverfahren
Weiterentwicklung von Vakuumsystemen
Nutzung von Lasersystemen in vielen Bereichen der Beschleunigerforschung
Beteiligung an der Weiterentwicklung von Hochleistungslasern

# Vakuumtechnologie

Der Betrieb von Teilchenbeschleunigern ist ohne Ultrahochvakuum (UHV), zum Teil aber auch im extremen Vakuumbereich (XHV) nicht denkbar. Die Lebensdauer von Hadronen- und Elektronenstrahlen in Speicherringen hängt vom Restgasdruck ab. Besonders gutes Vakuum wird zum Beispiel in kryogenen Speicherringen für die Atomphysik benötigt.

Ein Beispiel für den Fortschritt in der Vakuumtechnologie der letzten Jahre ist die Beschichtung von immer kleineren Vakuumkammern mit Gettermaterial (non-evaporable getters, NEG). Damit wirkt die gesamte Kammerwand als Vakuumpumpe, sodass der Leitwert auch bei kleinen
Kammerquerschnitten den erreichbaren Druck nicht begrenzt und der technisch schwierige Anschluss von externen Pumpen entfällt.

Auch bei zukünftigen Beschleunigern und Speicherringen werden neben dem Restgasdruck die mechanischen, thermischen und elektromagnetischen Eigenschaften des Vakuumsystems eine entscheidende Rolle spielen. Neben verbesserten Materialien und Fertigungsverfahren werden auch Fortschritte bei der Simulation der Dynamik des Restgases und der elektromagnetischen Felder in der Vakuumkammer willkommen sein.

# Lasertechnologie

Die moderne Lasertechnologie eröffnet neue Möglichkeiten für die Beschleunigerforschung. Dies betrifft zum Beispiel die Erzeugung von Teilchenstrahlen in Photokathodenquellen, aber auch neue Konzepte wie Laser-Plasmabeschleuniger, inverse Freie-Elektronen-Laser oder dielektrische Beschleuniger.

Durch Wechselwirkung mit Laserpulsen können Teilchen im Beschleuniger manipuliert werden, zum Beispiel bei der Kühlung von Ionenstrahlen oder mit Seeding-Methoden zur Erzeugung ultrakurzer Pulse in Speicherringen und hochkohärenter Strahlung in Freie-Elektronen-Lasern. Compton-Streuung von Elektronen und Laserphotonen kann zur Erzeugung von Röntgenstrahlung genutzt werden, dient aber auch zum Beispiel zur präzisen Messung der Elektronenenergie.

Zeitaufgelöste Experimente im Femtosekundenbereich benötigen zwei ultrakurze Pulse zur Anregung einer Probe und zur Analyse des angeregten Zustands, wobei neben der Pulsdauer auch die Kontrolle über den zeitlichen Abstand beider Pulse entscheidend ist. Bei der Synchronisation von Teilchenpaketen, Strahlungspulsen und verschiedener Beschleunigerkomponenten über Kilometer hinweg sind Faserlasersysteme inzwischen der Hochfrequenztechnik weit überlegen.

Insbesondere für die Weiterentwicklung neuer Beschleunigerkonzepte sind weitere Fortschritte in der Lasertechnologie dringend notwendig. Dies betrifft die Leistung, Dauer und Wiederholrate von Laserpulsen sowie die Verbesserung ihrer räumlichen und zeitlichen Stabilität. Auch neue Entwicklungen bei der Diagnose und Manipulation von Laserpulsen, zum Beispiel ihre gezielte Formung oder Konversion zu anderen Wellenlängen, können die Beschleunigerforschung weiter beflügeln.

Anhang

In Deutschland sind 500-1000 Wissenschaftler/-innen und Ingenieur/-innen in der Beschleunigerforschung beschäftigt. Sie arbeiten entweder an Universitäten oder außeruniversitären Forschungseinerichtungen.

# Universitäten

An 12 Universitäten sind insgesamt N Arbeitsgruppen und 12 Lehrstühle in der Beschleunigerforschung aktiv.

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Humboldt-Universität zu Berlin
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Technische Universität Darmstadt
Technische Universität Dortmund
Goethe-Universität Frankfurt am Main
Universität Hamburg
Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
Friedrich-Schiller-Universität Jena
Karlsruher Institut für Technologie KIT
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Ludwig-Maximilians-Universität München
Universität Rostock

NN Promovierende
MM Postdocs

# Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen

An 12 Universitäten sind insgesamt N Arbeitsgruppen und 12 Lehrstühle in der Beschleunigerforschung aktiv.

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
Hamburg und Zeuthen
FAIR
Darmstadt
Forschungszentrum Jülich
Jülich
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Darmstadt
Helmholtz-Institut Jena
Jena
Helmholtz-Institut Mainz
Mainz
Helmholtz-Zentrum Berlin
für Materialien und Energie HZB
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR
Max-Planck-Institut für Kernphysik MPIK
Heidelberg
Physikalisch-Technische Bundesanstalt PTB
Braunschweig und Berlin

Zudem

- **European XFEL** Hamburg und Schenefeld

ESS
CERN
ESRF

# Nutzeranlagen

BESSY II, Synchrotronstrahlungsquelle HZB, Berlin
COSY, Kühlersynchrotron für Hadronen Forschungszentrum Jülich
DELTA, Synchrotronstrahlungsquelle TU Dortmund
ELBE, Linearbeschleuniger mit Freie-Elektronen-Laser HZDR, Dresden
ELSA, Elektronenspeicherring Universität Bonn
ESR, Ionenspeicherring GSI, Darmstadt
European XFEL, Freie-Elektronen-Laser European XFEL GmbH, Hamburg
FAIR, Antiprotonen- und Ionenbeschleuniger FAIR GmbH, Darmstadt
FLASH, Freie-Elektronen-Laser DESY, Hamburg
MLS, Synchrotronstrahlungsquelle PTB, Berlin
PETRA III, Synchrotronstrahlungsquelle DESY, Hamburg
S-DALINAC, Elektronenbeschleuniger TU Darmstadt
SIS 18, Schwerionensynchrotron GSI, Darmstadt
UNILAC, Linearbeschleuniger GSI, Darmstadt

# Testanlagen

KARA, Synchrotronstrahlungsquelle KIT, Karlsruhe
FLASHForward
MAMI, Elektronenbeschleuniger Universität Mainz
…

Anlagen im Ausland mit deutscher Beteiligung an der Grundfinanzierung:

ESRF, Synchrotronstrahlungsquelle ESRF, Grenoble, Frankreich
ESS, Neutronenquelle ESS, Lund, Schweden
CERN-Beschleunigeranlagen
CERN, Genf, Schweiz

Das öffentliche Bild von Teilchenbeschleunigern ist geprägt von den gewaltigen Anlagen für die physikalische Grundlagenforschung. Dieses Bild wurde gefestigt durch die breite Berichterstattung zum Large Hadron Collider als die größte Maschine, die jemals gebaut wurde.

Neben der Physik nutzen längst viele andere wissenschaftliche Disziplinenn beschleunigerbasierte Methoden. Beschleuniger treiben Lichtquellen für die Forschung an, mit denen sich die Struktur von Materialien auf einzigartige Weise untersuchen lassen - vom Aufbau komplexer Proteine bis hin zum Verständnis der Funktion von hochleistungsfähigen Materialien. Beschleuniger helfen zudem im Kampf gegen Krebs, in der industriellen Fertigung, bei der Eindämmung von kriminellem Warenverkehr sowie bei der Überwachung des Kernwaffenteststopp-Vertrags. Konzeptstudien zufolge liefern Beschleuniger zudem eine mögliche Antwort für die noch ungelöste Entsorgungsfrage der fast 17.000 Tonnen hoch radioaktiven Brennmaterials, die alleine in Deutschland bis 2022 anfallen.

Damit bilden Teilchenbeschleuniger ein Paradebeispiel für die stille Diffusion von Technologie aus der Grundlagenforschung in andere Bereiche der Gesellschaft.

# Wissenschaft

Ohne Teilchenbeschleuniger wären große Teile des physikalischen Weltbilds noch mittelalterlich. Denn erst mit beschleunigten Teilchen bekamen Physkerinnen und Physiker ein Instrument an die Hand, um an fundamentale Erkenntnisse über Atome, Atomkerne und die Kräfte zwischen den kleinsten Teilchen zu gelangen.

(Physikerinnen und Physiker sind meist die ersten Nutzergruppen neuer Beschleunigertechnologien; zum einen weil ihre Ansprüche so groß sind und man ihnen auch mehr abverlangen kann als anderen Nutzergruppen)

Längst übersteigt der Bedarf anderer Disziplinen an beschleunigergestützten Untersuchungsmethoden den der Physik. Phyikerinnen und Physiker nur noch eine wissenschaftliche und
in nicht-physikaliche Disziplinen vorgedrungen.

Bei der beschleunigergestützten Massenspektroskopie handelt es sich um einer Weiterentwicklung der C14-Radiokohlenstoffdatierung. Sie ermöäglicht die Altersbestimmung von Fossilien und archäologischen Funden.

Synchrotronlichtquellen und Freie Elektronen-Laser ermöglichen Forschenden zu Erkenntnissen in der den Lebenswissenschaften und der Materialforschung, die mit keinen anderen Analyseverfahren möglich sind.

Beschleunigerbetriebene Neutronenquellen finden vor allem in der Materialwissenschaft Einsatz und bilden eine wichtige (und nachhaltigere) Alternative zu reaktorbasierten Neutronenquellen.

# Gesundheit

Teilchebeschleuniger retten Leben. Sie sind längst unverzichtbares Werkzeug der Medzin bei der Diagnose von Krankheiten und im Kampf gegen Krebs.

Radiosotope aus medizinischen Zyklotrons helfen bei der Untersuchung von Stoffwechselprozessen, durch die sich im Körper Krebstumore, Demenz und Epilepsie verorten lassen.

Sie kommen auch in der Strahlentherapie zum Einsatz, bei der Krebstumore von Innen zerstört werden. Elektronenbeschleuniger spielen in der externen Strahlentherapie eine wichtige Rolle, da sich mit ihnen hochenergetische Röntgen- und Gammastrahlen erzeugen lassen. Seit 1900 kommen auch beschleungte Protonen oder Kohlenstoffionen zum Einsatz, die aufgrund iher Wechselwirkung mit lebender Materie tiefe Stelle im Körper erreichen können, ohne auf ihrem Weg gesundes Gewebe zu beschädigen.

# Industrielle Anwendung

Ionen-Einbringung (11000)
Ionenstrahl-Analyse (300)
Materialbearbeitung (7500)
Sterilisation von Lebensmitteln (750)
Sterilisation von Medizinprodukten
Wasseraufbereitung (5)
Saatgutbehandlung
2D-Druck
3D-Druck

# Sicherheit

Anthrax-Entseuchung
Rüstungskontrolle
Strahlenschutz für die Raumfahrt
Frachtdurchleuchtung mit Röntgenstrahlen (100?)
Sicherheit im Personenflugverkehr

Zum Bereich der Sicherheit lassen sich auch die anwendungsbezogene Forschungsprojekte auf dem Gebiet der Kernenergie rechnen.

Zum einen verspricht die beschleuniger-betriebene Transmutation eine Lösung für das Problem der Entsorgung der tausenden Tonnen radioaktiven Materials, das in den vergangenen Jahrzehnten in Kernspaltungs-Reaktoren angefallen ist.

beschleuniger-betriebene unterkritische Kernspaltung
Materialforschung für Kernfusionsreaktoren

# Berücksichtigte Studien und Strategien

Philip Burrows (WP leader) et al. 2013

Philip Burrows (WP leader), François Kircher, Roger Bailey, M. Luisa Marco Arboli, Catherine Clerc, Alex C. Mueller, … Burrows, P.

‘Needs for Accelerator Scientists Report’

2013

TIARA-REP-WP5-2013-005

Assmann et al. 2019

Assmann, R.W., and M.K. Weikum

‘EuPRAXIA: Conceptual Design Report’

2019
Cros et al. 2017

Cros, Brigitte, and Patric Muggli

‘Towards a Proposal for an Advanced Linear Collider. Report on the Advanced and Novel Acceleratorsfor High Energy Physics Roadmap Workshop’

2017

In Advanced and Novel Accelerators for High Energy Physics Roadmap Workshop (ANAR 2017)
Dosch 2019

Dosch, Helmut

‘Proposal for the Helmholtz Research Program Matter and Technology (2021-2027)’

2019
Hermann von Helmholtz-GemeinschaftDeutscher Forschungszentren e.V. 2015

Hermann von Helmholtz-GemeinschaftDeutscher Forschungszentren e.V.

‘HELMHOLTZ-ROADMAP FÜR FORSCHUGSINFRASTRUKTUREN II 2015’

2015

# Technologie

Anderson et al. 2016

Anderson, I.S., Carla Andreani, John Carpenter, Festa Giulia, Giuseppe Gorini, C.-K Loong, and Roberto Senesi

‘Research Opportunities with Compact Accelerator-Driven Neutron Sources’

2016

Physics Reports. 654.
DOI:10.1016/j.physrep.2016.07.007
Eidemüller 2014

Eidemüller, Dirk

‘Wakefield-Beschleuniger: Wellenreiten im Teilchenbeschleuniger’

2014
England et al. 2014

England, R., Robert Noble, Karl Bane, D. Dowell, Cho-Kuen Ng, James Spencer, … Rodney Yoder

‘Dielectric Laser Accelerators’

2014

Reviews of Modern Physics. 86. : 1337–89.
DOI:10.1103/RevModPhys.86.1337
Hidding et al. 2019

Hidding, Bernhard, Simon Hooker, Steven Jamison, Bruno Muratori, Christopher Murphy, Zulfikar Najmudin, … Guoxing Xia

‘Plasma Wakefield Accelerator Research 2019 - 2040: A Community-Driven UK Roadmap Compiled by the Plasma Wakefield Accelerator Steering Committee (PWASC)’

2019
Zhang 2016

Zhang, Yuan

‘Introduction of Accelerator’

2016

# Anwendungsbereiche

Chao et al. 2015

Chao, Alexander Wu, and Weiren Chou

Reviews of Accelerator Science and Technology. Volume 7, Volume 7,

2015
EuCARD2 2017

EuCARD2

‘Applications Of Particle Accelerators in Europe’

2017
Hamm et al. 2012

Hamm, Robert W, and Marianne E Hamm

Industrial Accelerators and Their Applications

2012

WORLD SCIENTIFIC
.
DOI:10.1142/7745
Haussecker et al. 2011

Haussecker, Enzo F., and Alexander W. Chao

‘The Influence of Accelerator Science on Physics Research’

2011

Physics in Perspective. 13 (2). : 146–60.
DOI:10.1007/s00016-010-0049-y
Kirchner et al. 2015

Kirchner, Gerald, Matthias Englert, Christoph Pistner, Beate Kallenbach-Herbert, and Julia Neles

‘Gutachten “Transmutation”’

2015
krebsinformationsdienst.de 2018a

krebsinformationsdienst.de

‘Nuklearmedizin: Durchführung Und Nebenwirkungen’

2018a
krebsinformationsdienst.de 2018b

krebsinformationsdienst.de

‘Strahlentherapie: Durchführung Und Nebenwirkungen’

2018b
krebsinformationsdienst.de 2018c

krebsinformationsdienst.de

‘Strahlentherapie Und Nuklearmedizin: Techniken Und Anwendungsbeispiele’

2018c
Particle Therapy Co-Operative Group 2020

Particle Therapy Co-Operative Group

‘Particle Therapy Facilities in Clinical Operation’

2020
TIARA 2013

TIARA

‘Accelerators for Society’

2013
Welsch 2019

Welsch, Carsten

‘What Have Particle Accelerators Ever Done for Us?’

2019
Zentrum für Krebsregisterdaten et al. 2019

Zentrum für Krebsregisterdaten and Gesellschaft der Epidemiologischen Krebsregister In Deutschland E.V.

Krebs in Deutschland 2015/2016

2019

. 12. Ausgabe

Berlin: Robert Koch-Institut

# BMBF und EU

BMBF 2014

BMBF

‘Die neue Hightech-Strategie. Innovationen fur Deutschland’

2014
BMBF 2016a

BMBF

‘The National Roadmap Process for Research Infrastructureas. Investing in the Future of Research’

2016a
BMBF 2016b

BMBF

‘Der Nationale Roadmap-Prozess fur Forschungsinfrastrukturen. Investitionen fur die Forschung von morgen’

2016b
BMBF 2017a

BMBF

‘CHANCEN 2021. Eckpunkte einer Forschungs- und Innovationsstrategie fur ein starkes und lebenswertes Deutschland (Kurzzusammenfassung)’

2017a
BMBF 2017b

BMBF

‘Erforschung von Universum und Materie -- ErUM. Rahmenprogramm des Bundesministeriums fur Bildung und Forschung’

2017b
BMBF 2017c

BMBF

‘Fortschritt durch Forschung und Innovation. Bericht zur Umsetzung der Hightech-Strategie’

2017c
BMBF 2018a

BMBF

‘Aktionsplan ErUM-Pro. Projektforderung zur Vernetzung von Hochschulen, Forschunginfrastrukturen und Gesellschaft.’

2018a
BMBF 2018b

BMBF

‘Forschung und Innovation für die Menschen. Die Hightech-Strategie 2025’

2018b
BMBF 2019a

BMBF

‘Digitale Zukunft: Lernen. Forschen. Wissen. Die Digitalstrategie des BMBF’

2019a
BMBF 2019b

BMBF

‘Fortschrittsbericht zur Hightech-Strategie 2025’

2019b
Dornbusch et al., n.d.

Dornbusch, Friedrich, and Thomas Heimer

‘{Evaluation Der Verbundforschung Im Bereich Der ,,Naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung``}’

n.d.
European Commission 2019

European Commission

‘Orientations towards the First Strategic Plan for Horizon Europe’

2019
High Level Expert Group on Key Enabling Technologies 2011

High Level Expert Group on Key Enabling Technologies

‘Key Enabling Technologies: Final Report’

2011
HLG KET (High Level Expert Group on Key Enabling Technologies 2013

HLG KET (High Level Expert Group on Key Enabling Technologies)

‘Key Enabling Technologies: Status Implementation Report’

2013

# Strategische Planung, Roadmapping, Innovations

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‘Testing the Andrews Framework of Strategy Formulation and Implementation: Case Study of the University of Cape Coast Digital Library in Ghana’

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Allison et al. 2015

Allison, Michael, and Jude Kaye

Strategic Planning for Nonprofit Organizations

2015

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Bachani 2012

Bachani, Jyoti

Strategy Making in Nonprofit Organizations

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Business Expert Press.
Business Expert Press
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Behrendt, Siegfried

Integrated Technology Roadmapping: A Practical Guide to the Search for Technological Answers to Social Challenges and Trends

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‘Der Nationale Roadmap-Prozess fur Forschungsinfrastrukturen. Investitionen fur die Forschung von morgen’

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Creating Your Strategic Plan

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Visual Strategy

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von Clausewitz 1832

Clausewitz, Carl von

Vom Kriege

1832

. Epub Ausgabe. Erstausgabe 1832

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‘Advanced Accelerator Development Strategy Report’

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Data Science for Business and Decision Making

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The Disruption Dilemma

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Balanced Scorecard Strategy For Dummies

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Project Strategy and Strategic Portfolio Management

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Exploring Corporate Strategy

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# Redaktionsausschuss

Ralph Assmann, DESY
Oliver Boine-Frankenheim, TU Darmstadt
Wolfgang Hillert, Uni Hamburg
Thorsten Kamps, HZB
Anke-Susanne Müller, KIT

# Zielgruppe

Dieser Bericht richtet sich in erster Linie an die deutsche Öffentlichkeit (einschließlich aller Steuerzahler) sowie an die Mitglieder der Exekutive und Legislative des Bundes und der Länder.

# Herausgeber

Herausgeber dieses Berichts ist das Komitee für Beschleunigerforschung, eine Interessenvertretung aller in der deutschen Beschleunigerforschung Tätigen.

Gewählt wird das Komitee für Beschleunigerforschung vom Forum _Komitee Beschleunigerphysik, dessen Mitglieder Personen umfasst, die

ein Hochschulstudium mit Bachelor, Master, Diplom oder Promotion abgeschlossen haben und
entweder an einer wissenschaftlichen Einrichtung in der Bundesrepublik Deutschland oder als Deutsche an Einrichtungen, bei denen die Bundesrepublik Deutschland an der Grundfinanzierung beteiligt ist (CERN, European XFEL, ESRF), tätig sind und
eine Forschungs-, Entwicklungs- oder Lehrtätigkeit oder eine Leitungsfunktion im Bereich der Beschleunigerforschung ausüben.

Diese Zusammensetzung ermöglicht es der Bundesregierung, den Komitee für Beschleunigerforschung als eine legitime Interessenvertretung zu betrachten.

# Release

Dies ist die Version 1.0.0 des Berichts,
veröffentlicht am 1. Juni 2019.

# Erstellungshistorie

In seiner N. Sitzung am XX.XX.XXXX ernennt das KfB einen Redaktionsausschuss und beauftragt diesen, mit der Erstellung eines Strategieentwurfs.
Der Redaktionsausschuss erstellt eine
Treffen in Frankfurt
Einbeziehung Dirk Rathje
Strategie-Workshop mit XXX Teilnehmenden
Erste Sitzung des 4. KfB
Einbeziehung externen Beratung
Präsentation Prisma-Trialog
Im Juni 2020 wurde der Bericht vom Komitee für Beschleunigerphysik einstimmig angenommen.