Kielfeld-Beschleuniger im Laborformat

Laser-Plasma-Elektronen­beschleuniger, auch Kielfeld-Beschleu­niger genannt, sind auf dem Vormarsch. Das in den späten 1970er Jahren ent­wickelte Konzept wird gerne mit einem Surfer in der Brandung verglichen: Eine durch einen Laserpuls induzierte Plasma­welle reißt Elektronen mit sich und beschleunigt sie auf Strecken von nur wenigen Milli­metern auf rela­tivistische Geschwindig­keiten. Der kompakte Aufbau besticht vor allem im Vergleich zu den oft kilometer­langen Röhren herkömm­licher Beschleu­niger. Dennoch sind auch Laser-Plasma-Beschleu­niger in der Regel Ungetüme, die ganze Laborräume ausfüllen. Einer fran­zösischen Forscher­gruppe um Jerome Faure ist nun die Entwicklung eines ebenso praktischen wie zuver­lässigen Modells gelungen. Indem sie Abstriche in der maximal erreich­baren Energie in Kauf nahmen, konnten sie nicht nur extrem kurze Elektronen­pulse mit einer hohen Wieder­holungsrate erzeugen. Das neue System basiert zudem auf kommer­ziell erhält­licher Laser­technologie und sollte in Zukunft locker auf einem Labor­tisch Platz finden.

„Zurzeit besetzt unser selbst gebauter Laser noch zwei optische Tische“, gibt Faure zu. „Es gibt aber bereits kompakte Laser­systeme mit denselben Charak­teristika, die auf einem halben Tisch Platz finden.“ Dem Forscher zufolge sollte diese Art von Plasma-Laser-Techno­logie schon bald in kompakter und günstiger Form für verschie­denste Zwecke zur Verfügung stehen. Dabei handelt es sich bei dem neuen System keines­wegs nur um eine Art Billig­variante. Mit einer Wieder­holungsrate im Kilohertz­bereich und einer Puls­dauer von nur etwa einer Femto­sekunde weist es einzig­artige Charak­teristika auf, die für eine Vielzahl experi­menteller Anwen­dungen interes­sant sein könnten.

Auf maximale Energie getrimmte Be­schleuniger können Elektronen bereits auf mehrere Giga­elektronen­volt beschleu­nigen. Dazu werden Laser­pulse in einem Plasma fokussiert und extreme Inten­sitäten erzeugt. Die pondero­motorische Kraft, also der nieder­frequente Anteil der Kraft des räumlich inhomo­genen, hochfre­quenten elektro­magnetischen Feldes, führt zu einer Ladungs­trennung. So entstehen Plasma­wellen, die enorme elek­trische Felder von über 100 Gigavolt pro Meter tragen und die Elektronen mitreißen. In der Regel werden dazu Laser eingesetzt, die Pulse mit Energien im Joule­bereich liefern, aber dafür nur wenige Pulse pro Sekunde liefern.

Die Gruppe von der Univer­sität Paris-Saclay begnügte sich dagegen mit einer Maximal­energie von fünf Mega­elektronen­volt, was aber immerhin knapp 99 Prozent der Licht­geschwindigkeit entspricht. Das erlaubte den Forschern den Einsatz eines Milli­joule-Laser­systems mit kürzerer Pulsdauer und höherer Wieder­holungsrate. „Es hat uns einige Jahre gekostet, einen Weg zu finden, diese speziellen Laser­pulse mit einer Dauer von nur etwa einer Schwingungs­periode auf zuverlässige Art und Weise zu erzeugen“, erklärt Faure. „Das war definitiv die größte Heraus­forderung. Nachdem der Laser fertig war, hat das ganze System fast sofort funk­tioniert.“

Konkret handelt es sich um Laser­pulse mit einer Energie von je 2,1 Millijoule und einer Dauer von 3,4 Femto­sekunden, was ungefähr einer Schwingungs­periode entspricht. Solche ultra­kurzen Pulse haben von Natur aus eine spektrale Band­breite von mehr als einer ganzen Oktave. Dadurch kommt es zu erheblichen Dispersions­effekten, während sich der Puls durch das Plasma ausbreitet. Um diesen Effekt zu kompensieren, musste das ursprüng­liche Signal angepasst werden. Indem sie dessen Frequenz im zeit­lichen Verlauf ver­größerten („positiver Chirp“) konnten die Forscher die Plasma­dispersion aus­gleichen und so höhere Inten­sitäten erreichen. Dadurch vergrößerte sich auch die Amplitude der Plasma­welle und damit sowohl die Energie als auch die Anzahl der Elek­tronen pro Puls.

Die Laser­strahlung war auf einen konti­nuierlich fließenden Strom aus gas­förmigem Stickstoff mit einem Durch­messer von 100 Mikro­metern fokussiert. Durch die hohe Intensität von etwa 3×10¹⁸ Watt pro Quadrat­zentimeter wurde jedes Stickstoff­atom fünffach ionisiert. Die räum­liche Divergenz des erzeugten Elektronen­strahls betrug nur etwa 45 Millirad. Auch die Stabi­lität der Richtung des Strahls war mit gemessenen Fluk­tuationen von wenigen Milli­rad hoch. Die Ladung pro Puls hing dagegen stark von der Elektronen­dichte ab und konnte über den Abstand zwischen Fokus des Lasers und der Düse, aus der der Stickstoff­strahl austritt, variiert werden. Messungen lieferten Werte zwischen einem halben und einem Pico­coulomb. Die spektrale Verteilung der Elektronen wurde über die Ablenkung des Strahls durch Permanent­magneten bestimmt und wies bei einer Spitze von fünf Mega­elektronen­volt eine Breite von etwa drei Mega­elektronen­volt auf.

Was mögliche zukünftige Anwendungen ihres Systems betrifft, haben Faure und seine Kollegen vor allem ultra­schnelle Elektronen­beugung im Visier. Damit ließe sich etwa die Dynamik von Phasen­übergängen in Supra­leitern oder Schwingungs­moden untersuchen. „Es gibt zum Beispiel eine spezielle Mode in Graphen mit einer Frequenz von 20 Femto­sekunden, die sehr schwer beo­bachtbar ist“, erklärt Faure. „Wir möchten versuchen, mit der extrem kurzen Puls­dauer unseres Elektronen­strahls diese Vibra­tionen zu messen, um so vielleicht neue Infor­mationen über die grund­legende Physik dieses Materials zu erhalten.“

Thomas Brandstetter

JOL