Auf dem Weg zur optimierten Laser-Plasma-Beschleunigung

Dank eines Humboldt-Forschungspreises wechselt Professor Michael Downer vorüber­gehend bis Ende Januar 2018 von der texanischen Universität Austin ans Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Der Experte für Laser- und Plasma­physik will hier Methoden weiterentwickeln, um Prozesse, die sich bei der Laser-Beschleu­nigung von Teilchen abspielen, besser zu visu­alisie­ren. Mit seinen Dresdner Kollegen will Downer so die Leistung einer neuen Art von Be­schleu­nigern ausbauen. Das könnte die riesigen Anlagen, mit denen die Teilchen bisher haupt­sächlich beschleunigt werden, wesentlich verkleinern – ein Traum für viele Labore.

Als ultimative Heraus­forderung für Photo­graphen umschreibt Michael Downer einen Fokus seiner Forschung. Er übertreibt nicht – immerhin will der US-amerikanische Wissen­schaftler zeigen, was passiert, wenn ein hoch­intensiver Laser­puls mit nahezu Licht­geschwin­digkeit auf ein Gas trifft. „Dabei bildet sich sogenanntes Plasma, ein brodelndes Gemisch aus geladenen Teilchen“, erklärt Michael Downer. „Der Puls reißt Elektronen aus den Atomen heraus und kreiert eine Art Blase im Plasma, die ein starkes elektrisches Feld enthält. Dieses Feld, das der Laserpuls mit sich zieht, schließt die Elektronen ein und beschleunigt sie auf diese Weise extrem.“ Aufgrund der hohen Geschwin­dig­keiten und kurzen Dauer konnten die Strukturen, die dabei entstehen, und die Prozesse, die dabei ablaufen, lange nur aufwendig per Computer simuliert werden.

Vor kurzem haben Downer und sein texanisches Team jedoch eine Methode entwickelt, mit der sie die Ent­stehung und Aus­breitung von Plasma-Blasen, die sie mit einem Laser­strahl angeregt hatten, aufzeichnen konnten. „Das hat uns Informationen darüber geliefert, wie die optimalen Bedingungen für die Beschleu­nigung aussehen, wodurch wir anschließend die Beschleu­niger­leistung verbessern konnten“, fasst Michael Downer zusammen. Die Technik, die auf den Möglich­keiten der Computer-Tomo­graphie beruht, will der Physiker mit einem weiteren Kollegen sowie zwei Doktoranden aus Texas auch am HZDR inte­grieren. Mit dem Kurzpuls­laser DRACO, der eine Leis­tung von einem Petawatt, also einer Billiarde Watt, erreichen kann, bietet das Dresdner Forschungsz­entrum die perfekte Umgebung, um die Technik weiterzuentwickeln.

„Im Vergleich zu dem Laser, an dem wir die Methode bisher getestet haben, kann DRACO größere Plasma-Strukturen erzeugen, die sich über längere Strecken ziehen“, erläutert Downer. „Außerdem gibt uns die Anlage die Möglichkeit, den Beschleunigungsprozess mit zwei Laserpulsen zu lenken – der erste erzeugt die Strukturen, mit dem zweiten kontrol­lieren wir die beschleu­nigten Elektronen. Das bringt uns neue Einblicke in die Physik der Laser-Plasma-Beschleunigung.“ Kombiniert mit der Dresdner Expertise und dem HZDR-Simu­lations­programm PIConGPU wollen die Forscher aus Texas und Sachsen so vier­dimensionale Auf­nahmen der Prozesse ermöglichen. Das soll dabei helfen, die Leistung von laser­getriebenen Beschleunigern zu optimieren. So gelang dem Team um Michael Downer vor einigen Jahren erstmals, Elektronen mit diesem neuartigen Be­schleu­niger­typ, der schon auf einer Tischplatte Platz findet, auf Energien von zwei Giga­elektronen­volt zu bringen. Übliche Linear­beschleuniger bräuchten dafür eine Länge von einigen Hundert Metern.

Die Beschleunigung per Laserkraft könnte somit die riesigen Anlagen schrumpfen lassen, wodurch sich sogar kleinere Labore die bislang kostspielige Infra­struktur leisten könnten. „Wir können die Elektronen in Röntgen­strahlung umwandeln, die genauso hell ist wie die von den kon­ven­tio­nellen Anlagen“, erläutert Downer. „Chemiker und Biologen könnten dann zum Beispiel in ihren eigenen Laboren mit dieser Strah­lung die molekulare Grund­lage der Materie untersuchen, ohne zu einer der großen Ein­rich­tungen reisen zu müssen.“

HZDR / LK