Technologischer Fortschritt durch Grundlagenforschung
Technologischer Fortschritt durch Grundlagenforschung
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Inauguration g<br />
der BMBF- Forschungsschwerpunkte<br />
<strong>Technologischer</strong> <strong>Fortschritt</strong><br />
<strong>durch</strong> <strong>Grundlagenforschung</strong><br />
Günter Quast, Universität Karlsruhe (TH)<br />
Bonn, 2. Februar 2007<br />
← ?<br />
→<br />
1
Teilchenphysik ist <strong>Grundlagenforschung</strong><br />
Teilchenphyisk<br />
- fundamentale fundamentale, „einfache“ einfache“ Fragen, Fragen<br />
- Grundlagenwissenschaft für Kosmologie<br />
- keine direkten Anwendungen g zum Ziel<br />
ABER<br />
erfordert Technologie bis an die Grenzen des Machbaren<br />
Große internationale Kollaborationen und lange Projektdauer →<br />
- professionelles, aber pragmatisches Management<br />
-effiziente ffi i t Kommunikation<br />
K ik ti<br />
- hohe Motivation und Begeisterung aller Beteiligten<br />
Anwendungen <strong>durch</strong><br />
„spin-off“ und Entwicklung u. Transfer von Technologie<br />
2
Historisches (1)<br />
James Clerk Maxwell, 1864<br />
Vorhersage elektromagnetischer Wellen<br />
(entdeckt von Hertz 1888)<br />
elektromagnetische Natur des Lichts<br />
Einsteins Relativitätstheorie<br />
Als „Quantenelektrodynamik“<br />
Modell für moderne Theorien<br />
Grundlage unserer gesamten modernen Technologie<br />
3
Historisches (2)<br />
„Lichtelektrischer Effekt“ (Bequerel 1839)<br />
systematisch studiert von Hertz Assistent Hallwachs 1887<br />
Schlüsselexperiment zur Quantenphysik (Einstein 1905,<br />
Nobelpreis 1921)<br />
Vollständige Klärung erst <strong>durch</strong> die<br />
Quantenelektrodynamik<br />
Unzählige g Anwendungen g erst später p<br />
!<br />
4
Röntgens Originalröhre<br />
Historisches (3)<br />
„Röntgenstrahlen“<br />
(W (W.C. C Röntgen,1895)<br />
Röntgen 1895)<br />
Anwendungen schon in<br />
Rö Röntgens t OOriginalarbeit i i l b it<br />
Aufnahme der Hand von<br />
Frau Röntgen<br />
Benötigte als technologische Voraussetzungen<br />
evakuierte Glasröhren mit Elektroden (d.h. Vakuumtechnik) und Hochspannung<br />
Röntgens Entdeckung bedeutsam für<br />
g g<br />
- <strong>Grundlagenforschung</strong>,<br />
- wissenschaftliche sowie<br />
- technisch-medizinische Anwendungen<br />
5
Teilchenphysik u. Technologie<br />
Teilchen-<br />
beschleuniger Detektoren Computing<br />
- Erzeugung verschiedener<br />
Teilchenarten<br />
- Beschleunigung u. Transport<br />
- Speicherung u. Führung<br />
von Teilchenstrahlen<br />
- Digitale Auslese,<br />
- Präzise Messung von - Trigger u. Daten-<br />
Teilchenwechselwirkungen g Prozessierung in Echtzeit<br />
- Simulation<br />
- Visualisierung<br />
- Rekonstruktion und - Simulationsrechnungen<br />
bildgebende g Verfahren - verteiltes Computing Computing,<br />
- Datenanalyse<br />
CERN Proton Synchrotron Silizium-Streifen-Detektor GridKa, Racks mit Arbeitsknoten<br />
6
DESY - Hera<br />
Anwendungen von Beschleunigern<br />
CERN – LHC<br />
Entwicklung der Technologie getrieben vor allem<br />
<strong>durch</strong> Kern- u. Teilchenphysik<br />
aber viele weitere Anwendungsgebiete:<br />
- Linacs und Betatrons in Krankenhäusern<br />
- Zyklotrons für Isotopenproduktion<br />
- Proton- uu. Ionen-Synchrotrons für Krebstherapie<br />
- Elekronenstrahlen zur Sterilisation<br />
- Schwerionenstrahlen zum Dotieren von Halbleitern<br />
- Synchrotonstrahlung zur Werkstoffprüfung,<br />
Strukturuntersuchung u. Röntgenlithographie<br />
insges insges. >17000 Anlagen<br />
Linearbeschleuniger<br />
zur Bestrahlung<br />
(Siemens)<br />
7<br />
FNAL- Tevatron
Lichtquellen für Strukturuntersuchungen<br />
Anwendungen der<br />
Synchrotronstrahlung<br />
Beispiel Hasylab, DESY<br />
Biologie: g<br />
Aufbau von<br />
Eiweiß<br />
Physik:<br />
neue Halb- Halb<br />
leiter für die<br />
Elektronik<br />
8<br />
Medizin:<br />
schonende<br />
Röntgenverfahren<br />
Geowissenschaft:<br />
Simulation v.<br />
Extremverhält-<br />
nissen im Erdkern<br />
Chemie:<br />
Aufspüren<br />
kleinster<br />
Verunreinigungen<br />
Materialwissenschaft:<br />
Rissfestigkeit von<br />
Materialien
Röntgenlaser – der XFEL<br />
An vorderster Front der Technologie:<br />
supraleitender Elektron-Linearbeschleuniger<br />
für den Röntgenlaser XFEL am DESY<br />
XFEL<br />
Technologie zur Beschleunigung wie für<br />
Hochenergie-Elektron-Beschleuniger Hochenergie Elektron Beschleuniger (ILC)<br />
Besonderheiten des XFEL:<br />
- Hohe Leuchtstärke<br />
- kurze Pulse (< 100fs)<br />
- atomare Auflösung<br />
- kohärente Strahlung<br />
Visualisierung von EM<br />
Feldern in supraleitendem<br />
Hohlraumresonator<br />
9<br />
Anwendungen we du ge<br />
- „Femtochemie“, d.h. zeitaufgelöste<br />
Reaktionen<br />
- Strukturbiologie<br />
- Formation von Festkörpern,<br />
Materialuntersuchungen
Tumor-Therapie mit Hadronen<br />
Protonen oder<br />
leichte Ionen<br />
- zerstören Tumore<br />
- schonen davor liegendes<br />
Gewebe<br />
genaue g Strahlpositionierung, p g,ppräzise Energie g<br />
Ionenbestrahlung an der GSI Darmstadt mit<br />
Krebsforschungszentrum Heidelberg<br />
Krebsforschungszentrum Heidelberg<br />
bisher über 300 Patienten in der Pilot-Anlage<br />
Aufbau eines Ionenstrahl-Therapiezentrums<br />
an der Uni-Klinik Heidelberg<br />
Vermarktung der schlüsselfertigen<br />
Technologie <strong>durch</strong> Siemens.<br />
10<br />
GSI, Darmstadt
Tumor-Therapie mit Protonen<br />
Die nächstgelegenen<br />
Adressen: GSI, Darmstadt<br />
DKFZ DKFZ, HHeidelberg id lb<br />
PSI, Schweiz (Protonen)<br />
CERN CERN, GSI GSI, DKFZ u.v.a. sind i d<br />
Mitglieder in ENLIGHT<br />
European Network for LIGht Hadron Therapy<br />
Kürzlich am CERN:<br />
Modell-Experiment mit Anti-Protonen (ACE):<br />
biologischer g Effekt von Antiprotonen p<br />
vier mal höher als der von Protonen !<br />
aber technischer Aufwand deutlich höher<br />
11<br />
Wlt Weltweit iteinige i i Projekte P jkt dieser di Art At( (geplant) l t)<br />
geplant in Betrieb
Zukunftsmusik? Der „Energy Amplifer“<br />
Vorgeschlagen 1996 von C. Rubbia:<br />
Einsatz eines hochintensiven<br />
Tilh Teilchenbeschleunigers<br />
b hl i<br />
zur kontrollierten Kernspaltung.<br />
Externe Neutronenquelle <strong>durch</strong><br />
intensiven Teilchenstrahl, d.h. keine<br />
unkontrollierte, k lli selbsterhaltende lb h l d Spaltung S l<br />
Energieproduktion aus schweren Kernen<br />
(Thorium) (d.h Alternativen zum Uran)<br />
oder<br />
Umwandlung von langlebigen Isotopen<br />
in kurzlebigere (verspricht kürzere<br />
Lagerzeiten von Nuklear-Abfällen)<br />
Nuklear Abfällen)<br />
Viel technologische Entwicklung und<br />
Aufbau von Prototypen notwendig!<br />
12
Anwendungen von Detektortechnologie<br />
Detektoren aus der Teilchenphysik<br />
finden Anwendung in<br />
- Medizin<br />
- Biologie<br />
- Materialwissenschaften<br />
Drahtkammer<br />
Silizium-Streifen-<br />
Detektor<br />
Mikrostreifen-<br />
Gasdetektor Pixeldetektor<br />
13
Anwendung: „Bioscope“<br />
Mik Mikrostreifendetektoren if d k ffür bi biomedizinische di i i h Autoradiographie.<br />
A di hi<br />
Ermöglicht zeitaufgelösten Nachweis von radiomarkiertem Gewebe.<br />
Uni Bonn, Bonn 90er Jahre<br />
Mikrostreifendetektor<br />
3 cm<br />
Radio-markierte<br />
mit Ladefach für<br />
Amöben<br />
bi biologisches l i h Gewebe G b Gerät in kleinen Stückzahlen produziert (IDE Oslo)<br />
Aufnahmen in Echtzeit oder bewegte g Bilder nur mit<br />
elektronischer Registrierung und Auslese möglich<br />
14
„Digitales Röntgen“ mit Pixeldetektoren<br />
Statt<br />
Adresse eines<br />
einzelnen Treffers<br />
Innerhalb der<br />
Bliht Belichtungszeit italle ll<br />
Treffer (Röntgenquanten)<br />
in jeder Zelle zählen !<br />
digitales Röntgen<br />
z.B. MPEC (Bonn),<br />
MEDIPIX (CERN et al al.), )<br />
CIX (Bonn-Mannheim-Phillips)<br />
Detektorgruppen aus der TP oft mit Anwendungen befasst !<br />
15
Digitales Röntgen (2)<br />
under-exposed<br />
Vorteile:<br />
- hoher dynamischer Bereich<br />
normal<br />
- schnelle Bildfolgen<br />
- geringere Strahlendosis<br />
oder mehr Information aus<br />
dder gleichen lih Dosis D i<br />
over-exposedd<br />
under-exposed<br />
normal<br />
over-exposedd<br />
16
Simulationen von Teilchenwechselwirkungen<br />
Geomety and tracking Vers. 4 =<br />
OpenSource-Projekt OpenSource Projekt der Teilchenphysik, simuliert<br />
Wechselwirkung von Strahlung und Teilchen in komplexen Geometrien<br />
genutzt in Medizin und Raumfahrt<br />
- Bildgebende Verfahren (z.B. PET-Scanner) - Abschätzung von Strahlenbelastungen<br />
- Planung von Tumor-Bestrahlungen<br />
Ereignis im CMS-Tracker<br />
Maus in PET-Scanner<br />
(GATE-Projekt)<br />
17
Teilchenphysik<br />
hat viel zur Entwicklung der<br />
Informationstechnologie g<br />
beigetragen !<br />
Schnelle on-line on line Prozessoren<br />
zur Detekorauslese<br />
Bus-Systeme y<br />
Computer-Cluster<br />
World-Wide Web<br />
Grid Grid-Entwicklung<br />
Ent ickl ng<br />
Simulationswerkzeuge<br />
Datenanalyse-Methoden<br />
y<br />
u. Software<br />
Informationstechnologie<br />
18<br />
Wohl am bekanntesten: das World World-Wide Wide Web<br />
entwickelt am CERN
Herausforderung bei der Datenanalyse ...<br />
... di die Nadel d l im i Heuhaufen h f suchen! h<br />
40 Millionen mal pro p<br />
sec. ca. 1500 Spuren<br />
im Detektor<br />
19<br />
Nach selektiver Spurrekonstruktion!<br />
Einmal in hundert<br />
Milliarden:<br />
ein Higgs !<br />
Leistungsfähige Algorithmen und viel Computer-Leistung<br />
zur Ereignisselektion, Rekonstruktion, Analyse und Interpretation
Beherrschung der Datenflut vom LHC<br />
PROBLEM:<br />
LHC Datenvolumen:<br />
ca. 1A 1 Audio-CD di CD pro<br />
Sec. und Experiment<br />
zur Verteilung g an<br />
Wissenschaftler<br />
Desktop<br />
Physik-<br />
Institute<br />
γ<br />
Lab a<br />
Tier2<br />
β<br />
Lab b<br />
α<br />
Uni x<br />
Lab m<br />
USA<br />
Brookhaven<br />
USA<br />
FermiLab<br />
LHC Computer-<br />
Tier Zentrum 1<br />
Italien<br />
Uni y<br />
NLL<br />
CER<br />
N<br />
UK<br />
Frankreich<br />
……….<br />
Deutschland<br />
Uni b<br />
Uni a<br />
Lab c<br />
LHC Computing- i<br />
Modell<br />
Uni n<br />
Lösung:<br />
20<br />
Grid Grid-Technologie, Technologie dh d.h.<br />
Vernetzung von Computer-<br />
Zentren, ,ggleichberechtigter g<br />
Zugang für alle !
Daten- und Informationsfluss<br />
World-wide LHC Computing Grid im Januar 2007<br />
EGEE Grid (Europa) u. Open Science Grid (USA)<br />
EGEE Zt 177 Z t it i<br />
EGEE z. Zt. 177 Zentren mit insg.<br />
~30000 CPUs Rechenleistung<br />
~15000 TB Speicher<br />
Tier1 in D<br />
D<br />
GridKa am<br />
Forschungszen-<br />
trum Karlsruhe<br />
(geplante) T2 in D<br />
-DESY<br />
- MPI München<br />
München<br />
- RWTH Aachen<br />
- Uni Freiburg<br />
- LMU Mü München h<br />
- Uni Wuppertal<br />
21
Grid Computing<br />
Die Vision: Zugang zu Rechenleistung ...<br />
Teilchenphysik betreibt<br />
derzeit größtes Grid, Grid<br />
mit Ausstrahlung in<br />
- Medizin<br />
- Astro- und<br />
Astroteilchenphysik<br />
- Biologie<br />
- Meteorologie<br />
- Industrie<br />
- ...<br />
... wie Strom aus der<br />
Steckdose oder<br />
Wasser aus dem Hahn.<br />
22
Grid in Deutschland<br />
Aufbau einer leistungsfähigen Grid-Struktur<br />
Grid-Standorte (LCG) in D :<br />
zur LHC Datenanalyse<br />
- eingebettet in das internationale LHC LHC-Grid Grid<br />
- Testläufe zur Sicherung der Funktionalität<br />
- Instituts-übergreifende Zusammenarbeit<br />
- aktive Nutzer Nutzer !<br />
- Regelmäßige Nutzerschulungen.<br />
Desy Hamburg u. Zeuthen<br />
Uni Dortmund<br />
Uni Wuppertal<br />
RWTH Aachen<br />
GSI Darmstadt<br />
GGridKa idK KKarlsruhe l h<br />
Uni Karlsruhe<br />
Größte Grid-Struktur in Deutschland<br />
mit Ausstrahlung in andere Bereiche<br />
Uni Freiburg<br />
MPI München<br />
LMU München<br />
Stand: Jan. 07<br />
Teilchenphysik-Gruppen sind<br />
wichtige Partner in D-Grid-Initiative<br />
23
TP begeistert junge Leute !<br />
Neben b Kenntnissen i in i Teilchenphysik<br />
il h h ik<br />
breite Ausbildung in :<br />
Detektorentwicklung und -test<br />
Mikroelektronik und Datenauslese<br />
Aufbau und Betrieb komplexer Detektoren<br />
Computernetzwerke & Datenmanagement<br />
Softwareentwicklung in großen Projekten<br />
Auswertungsalgorithmen l i h und dAnalysemethoden l h d<br />
Beschleunigerphysik<br />
Zusammenarbeit in internationalen Teams<br />
→ Palette an „Soft-Skills“<br />
Von der Industrie als Mitarbeiter hoch geschätzt !<br />
24
Technologie-Transfer<br />
aus der Teilchenphysik<br />
(Firmenlogos sprechen für sich)<br />
am CERN organisiert<br />
<strong>durch</strong> die TT-Abteilung<br />
Schlussfolgerung ...<br />
→<br />
CERN TT<br />
25<br />
Technology Transfer<br />
... Teilchenphysik ist ein exzellenter Nährboden für Anwendungen !
TP begeistert junge Leute !<br />
Neben b Kenntnissen i in i Teilchenphysik<br />
il h h ik<br />
breite Ausbildung in :<br />
Detektorentwicklung und -test<br />
Mikroelektronik und Datenauslese<br />
Aufbau und Betrieb komplexer Detektoren<br />
Computernetzwerke & Datenmanagement<br />
Softwareentwicklung in großen Projekten<br />
Auswertungsalgorithmen l i h und dAnalysemethoden l h d<br />
Beschleunigerphysik<br />
Zusammenarbeit in internationalen Teams<br />
→ Palette an „Soft-Skills“<br />
Von der Industrie als Mitarbeiter hoch geschätzt !<br />
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