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I.11 — Linear particle accelerators
Full text linkA linac (linear accelerator) is a system that allows to accelerate charged particles through a linear trajectory by electromagnetic fields. This kind of accelerator finds several applications in fundamental research and industry. The main devices used to accelerate the particle beam will be introduced in the first part of the paper, while in the second part, the fundamentals of the longitudinal and transverse beam dynamics will be highlighted. A short paragraph is finally dedicated to radiofrequency quadrupoles (RFQ)
Part II — The technology and applications of particle accelerators— JUAS Course 2
No full textPart II, covering JUAS Course 2, is the "heaviest" part: the technology and applications of particle accelerators. The first chapters deal with the core of the machines, the equipment that accelerates particle beams (RF systems) and those that bend or steer them (magnets). After reviewing the electromagnetism theory underlying the RF engineering of accelerators and the key aspects of this technology (cavities, power sources, etc.), a long chapter introduces basic RF concepts and principles relevant to the design of accelerator RF systems. The limitations of using copper technology to increase the particle energy led to the development of superconducting RF cavities. An overview of the state of the art of superconducting RF technology is given, and this underlines the importance of surface preparation and of diagnostics of RF superconductors. A similar approach applies to magnets: the foundational principles and tools required for the analytical design of a simple accelerator magnet are followed by those relevant to superconducting magnets. Here, superconductivity allows enormous savings in weight, volume, and energy consumption. Another chapter explores the advantages of using superconductors in accelerators, the conditions under which superconducting magnets and superconducting RF cavities are used, and the optimisations required for these materials. This is followed by a brief overview of cryogenics—applicable to the cooling of these superconducting devices—that "presents the basic processes, gives the correct orders of magnitude, and alerts the system designer to possible pitfalls". Another essential component of an accelerator is its vacuum system, as the circulating beam must avoid collisions with any molecules along its path to maintain its quality. Vacuum science and technology have been established and refined over a long period; however, since the advent of cryogenics in accelerators, vacuum conditions at cryogenic temperatures have been further studied, leading to the development of new technologies to achieve ultra-high vacuum levels. Beam instrumentation covers a "large and complex field". Knowing the beam parameters (beam current, profile, position, etc.) is essential for the operation and development of any accelerator. Particle sources are the equipment specifically designed to generate the particle beams; a chapter focuses on several types of sources according to the type of particles (electrons, positrons, or ions) and on the extraction of the beam from these sources. A chapter on survey and alignment explains how the components of an accelerator are positioned as close as possible to their theoretical position using geodetic metrology. Then comes a chapter on accelerator controls: "the control system is a central part of all accelerators. Its main task is to integrate the autonomous controllers distributed throughout the facility into a coherent infrastructure". A consideration of radiation safety provides insights into the importance of managing ionising radiation hazards, which are inevitable when working with accelerators. A detailed development of this topic addresses radiation shielding, safety systems, and monitors. Towards the end of this part of the volume, several specific accelerators are presented from an application standpoint: low-energy accelerators (the most numerous), with energies of less than 50 MeV, have now achieved compact, reliable, and efficient designs and are widely used in medicine and industry; high-power proton linacs are considered as drivers for energy saving, material science, etc.; manufactured cyclotrons that can produce protons/ions of a few hundred MeV for medical treatments; and a particular compact recirculating electron accelerator for industrial applications. The chapter on the physics of particle therapy explains the choice of proton/ion beams to treat cancer and the role of the gantry in transporting and positioning the beam for the patient. This part concludes with a chapter on the life-cycle and operation of particle accelerators
Making skills: how courses on digital fabrication enhance 21st centrury skills
Full text linkThe paper elaborates on critical "design decisions" of a series of digital fabrication micro-courses offered as an optional addition to the full one- or two-semester programs on engineering design. It presents the results of an evaluation regarding the learning outcomes and 21st-century skills acquired by the students. The evaluation indicates that the courses convey practical making skills and contribute to 21st-century skills like self-efficacy, self-initiative and learning competence. The result of the work can inspire other universities and design factories to set up their device training courses similarly to gain this additional benefit.
Introducing Progressia: A simple, field-validated method for technological innovation
Full text linkInnovation, a growth catalyst, often lacks structure. Unlike science, innovation lacks a comparable, structured method. While tools, frameworks, and practices exist, none precisely mirror the scientific method. The article introduces the Progressia method, leveraging the Technical Readiness Level (TRL) ladder, initially developed by NASA, along with a Need/Market Assessment Ladder, forming an "innovation matrix." Tested in a plant-based protein project by Cereal Docks Group, the method aligns technology advancements with market needs, ensuring a smooth transition to industrialization and market readiness. Showcasing effectiveness in reducing uncertainty, the Progressia method propels successful technical innovation projects also in a corporate environment
Coffee, theorems and…innovation
Full text linkFrom mathematics to the WWW, the IdeaSquare team embarks in the daunting adventure of elucidating the relationship between coffee and transformative innovation
II.11 — Survey and alignment of accelerators
Full text linkThe present chapter summarizes the survey and alignment processes of accelerators and transfer lines. The major geodetic principles governing the survey and alignment measurement space are revisited and their relationship to a lattice coordinate system shown. The chapter continues with a broad overview about the activities involved in the step by step sequence from the initial discussions on alignment strategy to final smoothing. Emphasis is given to the relative alignment of components and the corresponding instrumentation and method. The R&D for the alignment of future accelerators is also introduced. This chapter also aims at considering the benefits of integrating geodetic metrology in the design of new particle physics facilities as early as possible
III.5 — Non-linear beam manipulations in the transverse space
Full text linkIn recent years, high-energy particle accelerators utilizing superconducting magnets, which inherently possess non-linear field errors, have significantly advanced the field of non-linear beam dynamics. While non-linear dynamics can introduce detrimental effects on the behavior of charged particles, they also offer opportunities for innovation. Non-linear beam dynamics provides the potential for novel approaches to beam manipulation. This contribution explores and examines the central concepts underpinning these advanced manipulations
Mit Mikrocontrollern: Dynamische Daten in den Naturwissenschaften – eine SWOT-Analyse
Full text linkHintergrund: Die Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken beim Einsatz von Mikrokontrollern zur dynamischen Visualisierung von Daten in den Naturwissenschaften wurden basierend auf Fachliteratur und Beobachtungen im Themenfeld Fotosynthese mittels SWOT-Analyse geordnet.
Ziel: Anhand eines beispielhaften Datensatzes zur Fotosynthese werden die besonderen didaktischen Möglichkeiten dynamischer Daten aufgezeigt. Diese beruhen insbesondere darauf, dass mit dynamischen, also zeitlich direkt aufgelösten und sich mindestens teilweise verändernde Daten auch weitere Informationsebenen sowie subjektive Erlebnismöglichkeiten verbunden sind.
Ergebnisse: Dynamische Visualisierung können mehr und oft relevantere Informationen liefern als statische Illustrationen, z.B. können naturwissenschaftliche Phänomene mit einer Zeitvorstellung verknüpft werden und Veränderungsraten werden im eigenen Zeitgefühl erlebbar. Ausserdem motivieren dynamische Daten zu Interaktivität. Abstrakte naturwissenschaftliche Phänomene können für Schüler:innen zugänglicher, sichtbarer und insbesondere erlebbarer gemacht werden. Die Interpretation dynamischer Daten kann aber sowohl für Lernende als auch für Lehrende herausfordernd sein. Es besteht das Risiko der Konzentration auf Details der Dynamik, die prägnant aber unwichtig sind, zudem besteht die Gefahr der Missinterpretation aufgrund nicht erkannter Querbeeinflussungen.
Fazit: Die Interpretation von dynamischen Daten hat enormes didaktisches Potential. Insbesondere mit dem Voranschreiten der Fähigkeiten von etablierten Mikrokontrollern wie micro:bit und der damit einhergehenden einfacheren Zugänglichkeit durch blockbasierte Programmierung können zusätzliche motivierende Lernmöglichkeiten realisiert werden.
Keywords: Dynamische Daten, Echtzeitdaten, Datenvisualisierung, Fotosynthese, Mikrocontroller, micro:bi
Vom Fachwissen zur Bewertung? Naturwissenschaftliche Kompetenzen für Verantwortungsträger*innen
Full text linkHintergrund: Nachhaltigkeitsherausforderungen des Anthropozäns, wie Klimawandel, Ressourcenübernutzungen und Biodiversitätsverlust enthalten allesamt naturwissenschaftliche Aspekte. Um diese Umweltveränderungen zu verstehen und wirksame Handlungsoptionen zu entwickeln, scheint naturwissenschaftliches Wissen und Können eine wichtige Rolle zu spielen.
Ziel: Das Ziel der vorliegenden Studie ist herauszufinden, welches Wissen und Können Verantwortungsträger*innen benötigen, um mit aktuellen naturwissenschaftlich geprägten Nachhaltigkeitsherausforderungen umgehen zu können, auch wenn sie selber keinen naturwissenschaftlichen Bildungshintergrund haben. Aus den Ergebnissen sollen Rückschlüsse auf die schulische Bildung geschlossen werden.
Design und Methode: Qualitative Interviewstudie mit 14 Verantwortungsträger*innen aus den Bereichen Politik, Wirtschaft und Gesellschaft. Deduktive Auswertung des Interviewmaterials mit den naturwissenschaftlichen, häufig adressierten, Kompetenzbereichen Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Bewertung und Kommunikation.
Ergebnisse: Die Ergebnisse aus den Interviews zeigen, dass detailliertes Fachwissen für Verantwortungsträger*innen eine untergeordnete Rolle spielt und dafür breites, vernetztes Systemwissen wichtiger ist. Ausserdem rückt die Bewertungskompetenz in den Vordergrund.
Schlussfolgerung: Erstmals wurden Verantwortungsträger*innen direkt befragt, welche Kompetenzen sie brauchen und nutzen, um nachhaltigkeitsrelevante Entscheidungen zu treffen. Aus den Ergebnissen lassen sich Rückschlüsse für die (schulische Aus-) Bildung von Verantwortungsträger*innen ziehen. Der Fokus muss auf interdisziplinäres und fächerübergreifendes Unterrichten gelegt werden, um bereits in der Schule darauf vorzubereiten wichtige Entscheidungen in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft treffen zu können.
Keywords: Nachhaltigkeitsherausforderungen, naturwissenschaftliche Kompetenzbereiche, Fachwissen, Bewertungskompetenz, Verantwortungsträger*innen, Qualitative Interviewstudie
From Knowledge to Decision making Competence:
Scientific Competencies for Leaders
Background: Sustainability challenges of the Anthropocene, such as climate change, resource depletion and biodiversity loss, are often science-based. The responsible handling of these major challenges needs scientific knowledge and skills.
Purpose: The present interview study aimed to find out what knowledge and skills decision makers need in order to be able to deal with current scientific sustainability challenges, even if they themselves do not have a scientific educational background. The results will be used to draw conclusions about school education.
Design and Methods: Qualitative interview study with 14 decision makers from the fields of politics, economy, and civil society. Deductive evaluation of the interview material with the frequently addressed science competencies areas of scientific knowledge, knowledge acquisition, decision-making competence, and communication.
Results: The results suggest that detailed scientific knowledge plays less of a role for decision makers and that broad, intertwined system knowledge is more important. Furthermore, decision-making competence come to the fore.
Conclusions: For the first time, decision makers were asked directly which competencies they really need and use in order to make decisions relevant to sustainability. From the results, it can be concluded for the education and training of decision makers that the focus should be placed on interdisciplinary and cross-curricular teaching in order to prepare them already in school to be able to make important decisions in politics, the economy, and civil society.
Keywords: Sustainability challenges, science competencies, scientific knowledge, decision-making competence, decision makers, qualitative interview stud
Facetten der Quantenphysik für das Nicht-MINT-Gymnasium – Entwicklung und Evaluierung einer didaktisch rekonstruierten Lernumgebung
Full text linkHintergrund: Wenn gymnasialer Physikunterricht aktuelles Orientierungswissen vermitteln will, muss er auch Quantenphysik, das zentrale Gebiet der heutigen Physik, thematisieren. In der Schweiz ist dies im obligatorischen Grundlagenfach oft nicht der Fall, weil das abstrakte Thema ungeeignet scheint, besonders für Lernende mit wenig Affinität zu Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik (MINT). Quantenphysik taucht aber im neuen Rahmenlehrplan der Erziehungsdirektorenkonferenz (EDK, 2024) auf.Ziele: Primäres Ziel war, eine Unterrichtseinheit zum Einstieg in die Quantenmechanik spezifisch für Nicht MINTLernende nach dem Modell der Didaktischen Rekonstruktion zu entwickeln und zu erproben. Anschliessend sollten die Lernwirkung auf verschiedene Weisen geprüft und die Fragen beantwortet werden, wie weit die Welle-TeilchenDualität das Lernen erleichtert, ob Konzepte wie der Aspekt-Charakter, die Nicht-Kausalität oder der Zustandsbegriff erfasst werden und wie biografische, technische und weitere Elemente aus ‘Nature of Science’ (NoS) wirken.Stichprobe / Rahmen: Das nach dem Paradigma des Design-Based Research entwickelte Material wurde zwischen 2017 und 2022 im Rahmen des normalen Unterrichts an 4 verschiedenen Gymnasien der Deutschschweiz erprobt. 11 Lehrpersonen und 546 Lernende waren beteiligt. Die eigentliche Evaluierung mit Frageboden startete mit 89 Lernenden. 149 Lernende schrieben vorstrukturierte Lerntagebücher. Beides waren opportunistische Stichproben.Design und Methoden: Die Entwicklung der Lernumgebung orientierte sich am Modell der Didaktischen Rekonstruktion. Zur fortlaufenden Bewertung dienten einerseits konventionelle Klausuren und andererseits Prä-Post-Fragebogen mit 40 Items und 5 Zeichnungen. Zusätzlich wurden in Gruppen geschriebene Lerntagebücher inhaltsanalytisch ausgewertet. Eine eigentliche Referenzpopulation gab es nicht. Im schweizerischen Rahmen hätte sie diejenigen NichtMINT-Lernenden umfasst, die keinen Unterricht zur Quantenphysik erhalten.Ergebnisse: (1) Die Lernumgebung FACETTEN DER QUANTENPHYSIK ist praxistauglich und ermöglicht im 10.- 12. Schuljahr in rund 16 Lektionen einen Einblick in die Quantenphysik, der Nicht-MINT-Lernende anspricht. (2) Der Kompetenzerwerb liegt im üblichen Rahmen. Für die Verbesserung des «Anfänger-Quantenphysik-Konzepts» ergab die Evaluierung eine Cohen-Effektstärke von 0.75 auf dem 0.1% Signifikanz-Niveau. Die Lerntagebücher lieferten differenzierte und überwiegend positive Antworten auf die Forschungsfragen.Fazit: Die FACETTEN ermöglichen Lernenden im Nicht-MINT-Gymnasium einen Einstieg in die Quantenphysik in kurzer Zeit. Während Aspekt-Charakter und Nicht-Kausalität der Quantenobjekte verstanden werden, bleibt der Zustandsbegriff ψ der Quantenphysik bei den Lernenden nach dem knappen Unterricht unsicher. Die grosse Mehrheit schätzt die integrierten Elemente von NoS mit biografischen, technischen, philosophischen usw. Querbezügen und Ergänzungen. Die Welle-Teilchen-Dualität ist fachwissenschaftlich korrekt und als Scaffolding-Element auch lernpsychologisch hilfreich. Weitere Arbeiten müssten zeigen, wieweit das bereits ausgearbeiteten Modul 3 den Zustandsbegriff klären kann, wie stabil die NoS-Entwicklung ist, ob die angebotenen MINT-Vertiefungen eine effektive Binnendifferenzierung erlauben und in welchem Umfang die Welle-Teilchen-Dualität das Lernen von Quantenphysik erleichtert.Berichterstattung: Dieser Bericht fokussiert bei der Didaktischen Rekonstruktion auf die Bedeutung der Rahmenbedingungen, auf die Analyse der Welle-Teilchen-Dualität und die Rolle der NoS-Elemente. Er illustriert die Lernumgebung anhand von vier Schwerpunkten und fasst die Ergebnisse der Evaluierung mit Klausuren, Prä-Post Fragebogen, Zeichnungen und Lerntagebüchern zusammen.Keywords: Sekundarstufe II, Quantenphysik, Didaktische Rekonstruktion, Welle-Teilchen-Dualität, Nature of Science
Facets of quantum physics for non-STEM-secondary II students – Development and evaluation of a didactically reconstructed learning environment
Background: If instruction in Gymnasium pretends to provide an education that helps students to orient in the actual world, it needs to deal with quantum physics which is the central part of modern physics. Unfortunately, this is often not the case in mandatory physics in Switzerland because this abstract topic doesn’t seem to match learners with little affinity to science, technology, engineering and mathematics (STEM). But quantum physics will become a mandatory topic in Switzerland’s new framework curriculum (EDK, 2024). Purpose: The primary purpose was to develop a learning environment which provides an entry into quantum mechanics especially for non-STEM students following the model of didactical reconstruction. In addition, learning effects should be tested, the usefulness of wave-particle duality should be checked, and the questions answered how well abstract concepts such as the aspect character and the notion of state function are learned and how biographical, technical and other elements of Nature of Science (NoS) influence learning.Sample / setting: The learning environment was developed between 2017 and 2022, following the paradigm of design-based research. 11 teachers and 546 students from 4 different Gymnasium-schools in German-speaking Switzerland cooperated. The evaluation by questionnaires started with 89 students. 149 students wrote pre-structured learningdiaries. Both samples were opportunistic.Design and Methods: The design of the learning environment was guided by the model of didactical reconstruction with recursive development. Continuous evaluation used conventional performance-tests and questionnaires with drawings and items. In addition, learning-diaries which had been written in groups, were analyzed. No reference group existed, since under Swiss conditions it had no instruction on quantum physics at all.Results: (1) The learning environment FACETTEN DER QUANTENPHYSIK is applicable in real school situation and provides a start in quantum physics for non-STEM-students from 10th to 12th grade within roughly 16 lessons. (2) The acquisition of competences as measured with ordinary performance tests was within the usual range. The evaluation of the development of concepts by pre-post questionnaires showed an increase in the “beginner’s quantum concept” with 0.75 Cohen effect on the 0.1% significance level. Learning diaries provided detailed and mostly positive answers to the research questions.Conclusions: The learning environment gives non-STEM-students access to quantum physics in a short period of time. While the concepts ‘aspect’ and ‘non-causality’ are understood, the notion of the state function ψ remains vague. The great majority estimates the integrated nature of science elements with complimentary biographical, technical, philosophical etc. information. Wave-particle-duality is scientifically correct and from the point of view of learning psychology useful as an element for scaffolding. Further work is needed to make clear whether the already existing module 3 allows students to better understand the concept of the state function, how stable the development of NoS is, whether the offered STEM supplements facilitate internal differentiation and to what extent wave-particle duality eases the learning of quantum physics.Reporting: The focus of this report lies on the adaptation of the model of didactical reconstruction, the analysis of wave-particle-duality and the role of NoS. It highlights the learning environment by four examples and summarizes the results of the evaluation with tests, pre-post questionnaires, drawings and learning diaries. Keywords: secondary II, quantum physics, didactical reconstruction, wave-particle-duality, nature of science