03.06.2021

Hybrider Teilchenbeschleuniger getestet

Kompakter, teilchenbasierter Plasmabeschleuniger zeigt überzeugende Eigenschaften.

Teilchenbeschleuniger sind für einige der spektakulärsten wissenschaftlichen Entdeckungen der Neuzeit verantwortlich. Bei der Weiter­entwicklung einer neuen, kompakten Generation von Teilchen­beschleunigern ist einem Team von Laserphysikern um Stefan Karsch von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des Max-Planck Instituts für Quantenoptik in Kooperation mit Forschern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), des Laboratoire d’Optique Appliquee aus Paris (LOA), der Universität von Strathclyde in Glasgow und dem Deutschen Elektronen­synchrotron (DESY) in Hamburg nun ein deutlicher Fortschritt gelungen. Die Forscher haben erstmals einen kompakten, teilchen­basierten Plasma­beschleuniger gebaut. Hier beschleunigen Teilchen andere Teilchen.
 

Abb.: Laser-getriebener Beschleuniger (LWFA, links) und durch Elektronen aus...
Abb.: Laser-getriebener Beschleuniger (LWFA, links) und durch Elektronen aus der LWFA-Stufe getriebener Teilchen­beschleuniger (rechts) (Bild: T. Heinemann / Strathclyde / A. Martinez de la Ossa / DESY)

Teilchenbeschleuniger sind eine wichtige Triebfeder in der Erforschung von Materie, für die Biologie und ebenso für die Medizin. Die meisten Systeme nutzen starke Radiowellen, um Teilchen zu beschleunigen. Ein Nachteil dieser Jahrzehnte alten Technologie ist jedoch, dass elektrische Überschläge drohen, wenn man zu viel Radiowellen-Leistung in den Beschleuniger einkoppelt. Das Resultat ist, dass die Beschleunigungsfelder begrenzt sind und derartige Anlagen zum Teil viele Kilometer lang sind. Forscher arbeiten deshalb an einer kompakteren Alternative: der Plasma­beschleunigung. Hier entreißen die elektrischen Felder eines Lasers oder eines Teilchen­strahls den Atomen in einem Gas die Elektronen und erzeugen, wie ein Boot im Wasser, hinter sich eine Kielwelle. Elektronen, die auf dieser Welle im Plasma „surfen“, werden innerhalb weniger Millimeter bis auf fast Lichtgeschwindgeit beschleunigt.

Während die Plasma­beschleunigung mit Lasern (Laser Wakefield Acceleration, LWFA) bereits an vielen Instituten weltweit erforscht wird, konnte die Beschleunigung basierend auf Teilchenstrahlen (Plasma Wakefield Acceleration, PWFA) bisher nur in wenigen Groß-Beschleuniger­anlagen (CERN, DESY und SLAC) erprobt werden. Letztere hat allerdings einige Vorteile, da Teilchenstrahlen das Plasma weniger aufheizen und die Beschleunigung länger aufrechterhalten. Das ermöglicht höhere Strahlqualitäten und -energien, was eine wichtige Voraussetzung für Anwendungen darstellt. 

In ihren Experimenten konnten die Forscher nun erstmals einen kompakten, teilchenbasierten Plasma­beschleuniger realisieren. Der Trick ist dabei, dass der PWFA von Elektronen­strahlen aus dem laserbasierten Beschleuniger (LWFA) getrieben wird. Da letzterer selbst auch sehr kompakt ist, misst dieser „hybride" Plasmabeschleuniger nur wenige Zentimeter. Simulationen zeigen zudem, dass die Beschleunigungs­spannung mehr als tausendmal höher ist als in herkömmlichen Beschleunigern. Ein vielversprechender Aspekt ist, dass sich die LMU-Resultate mit komplementären Messungen am DRACO-Laser des HZDR bestätigen und ergänzen.

Andreas Döpp, Laserphysiker im Münchner Team um Stefan Karsch sagt: „Diese Kombination galt vor wenigen Jahren noch als illusorisch. Der hybride Beschleuniger wurde erst durch die Weiter­entwicklung laserbasierter Beschleuniger möglich. Die Stabilität und viele andere Strahl­parameter haben sich enorm verbessert.“ Getrieben wird diese Entwicklung an der LMU vor allem durch den ATLAS-Laser am Centre for Advanced Laser Applications (CALA). Das System ist eines der leistungs­stärksten weltweit. 

Die hybride Plasmabeschleunigung ist für die Forscher nun der nächste Schritt nach vorne. „Wir konnten bereits zeigen, dass sich unser kompakter Plasmabeschleuniger ähnlich verhält wie seine deutlich größeren, konventionell getriebenen Pendants. Daher sind wir zuversichtlich, dass wir mit dem Aufbau in der nahen Zukunft extrem helle Elektronen­strahlen erzeugen können“, sagt Stefan Karsch.

Vor einem breiten Einsatz der Technologie gilt es zwar noch einige Herausforderungen zu meistern, doch die Forscher haben bereits verschiedene Einsatzfelder im Sinn. „Zum einen könnten Forschungs­gruppen, die bislang keinen geeigneten Treiberbeschleuniger zur Verfügung haben, diese Technik nutzen und weiter­entwickeln. Und zum zweiten könnte unser Hybrid­beschleuniger als Basis für einen sogenannten Freie-Elektronen-Laser (FEL) dienen“, sagt Arie Irman, Koordinator des Experiments am HZDR.

FELs sind extrem hochwertige Strahlungs­quellen, die beispielsweise genutzt werden um Nanomaterialen, Biomoleküle oder geologische Proben extrem genau zu analysieren. Bisher ist der Zugang zu solchen Quellen, beispielsweise am European XFEL in Hamburg, jedoch sehr kompetitiv. Wenn diese großen Röntgenlaser in Zukunft durch solche kompakten neuen Quellen basierend auf Plasma­technologie ergänzt werden könnten, würden sie zu einer Verbreiterung der Nutzerbasis und damit zu einer besseren Verfügbarkeit von brillianter Röntgen­strahlung als Ganzes führen. 

LMU / DE
 

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