Mitreißende Plasmawellen

Wissenschaftlern vom Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) und der Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA) haben eine vielversprechende Technik zur Beschleunigung von Elektronen mit Plasmawellen vorgestellt. Die effiziente Methode kann eine neue Generation von Teilchenbeschleunigern begründen, die durch kürzere Beschleunigungsstrecken und einen wirtschaftlichen Betrieb überzeugen. Der Einsatz der neuen Geräte könnte auch in Arbeitsfelder wie Medizin und Sicherheit sowie auf das industrielle Umfeld ausgeweitet werden. Das Ergebnis der Arbeiten, die das Team um den Physiker Mike Litos nun in der Fachzeitschrift Nature vorstellt hat, wird als Meilenstein in der sogenannten Kielfeldbeschleunigung gewertet.

Bei der Kielfeldbeschleunigung gewinnen die zu beschleunigenden Elektronen Energie, indem sie auf einer Welle von Elektronen in einem ionisierten Gas „surfen”. „Viele praktischen Gesichtspunkte der Beschleunigertechnologie werden davon bestimmt, wie schnell Teilchen beschleunigt werden können.“, erklärt Mike Litos, Hauptautor der Veröffentlichung. „Mit der neuen Technik können Elektronen nun auf einer Strecke von 6 m auf die gleiche Geschwindigkeit beschleunigt werden, die sie mit herkömmlichen Techniken erst nach Durchlaufen eine 3,2 km langen Beschleunigungsstrecke erreichen.“, freut sich Litos. Energetisch betrachtet gelang es den Wissenschaftlern, ein Elektronenbündel auf gleicher Beschleunigungsstrecke auf nahezu 500fache Energie zu bringen. Darüber hinaus wurde die Energie wesentlich effizienter auf die zu beschleunigenden Teilchen übertragen, als das in früheren Experimenten der Fall war.

Die Kielwellenbeschleunigung steht bereits seit über 35 Jahren im Blickpunkt der Beschleunigerphysik, da sie in Zukunft kleinere und kostengünstigere Beschleuniger verspricht. Innerhalb der letzten zehn Jahre arbeiteten die Wissenschaftler in UCLA und SLAC Gruppen an der vordersten Front dieses Forschungsgebiets. Bereits 2007 verblüfften die Teams mit einer Veröffentlichung, die die Beschleunigung der letzten Elektronen eines Elektronenbündels von 42 Milliarden eV auf 85 Milliarden eV beschrieb. Allerdings ließ sich so nur ein Bruchteil der Elektronen des Bündels beschleunigen; auch war die Energieverteilung der Elektronen zu breit, als dass man sie für Experimente hätte einsetzen können.

In dem nun vorgestellten Experiment schickten die Forscher zwei Elektronenbündel mit jeweils 5 bis 6 Milliarden Elektronen in eine lasergenerierte Plasmasäule in einem heißen Lithium Gas. Das erste Bündel fungiert dabei als Führungsbündel, indem es alle freien Elektronen von den Lithiumatomen wegstößt und positiv geladene Lithiumatomkerne zurück lässt – die sogenannte Ausbruchsanordnung oder das „blowout regime“. Die weggestoßenen Elektronen fallen dann hinter das zweite Elektronenbündel – das Schleppbündel – zurück und bilden dort eine Plasma-Heck- oder Kielwelle, die das Schleppbündel erneut auf noch höhere Energien beschleunigt.

In frühere Experimenten konnte zwar bereits die Beschleunigung mehrere Elektronenbündel gezeigt werden, aber den SLAC Wissenschaftlern gelang es nun erstmalig, hohe Energien bereits in der Ausbruchsanordnung zu erreichen, also in dem Beschleunigungsschritt, der sich durch maximalen Zugewinn an Energie und höchste Effizienz beim Energieübertrag auszeichnet. Ebenso wichtig: die so beschleunigten Elektronen wiesen eine nur geringe Streuung ihrer Energien auf.

„Die Ergebnisse haben eine Bedeutung, die über das erfolgreiche Einzelexperiment hinausgeht.“ erklärt Mark Hogan, Beschleunigerphysiker am SLAC und einer der Hauptwissenschaftler im Team. „Die Ausbruchsanordnung mit zwei Elektronenbündeln zu erreichen, gestattet eine 50%ige Steigerung der Beschleunigungseffizienz – bei weitem genug, um die Kielfeldbeschleunigung als entwicklungsfähige Technologie für zukünftige Teilchenbeschleuniger auszuweisen.“

SLAC National Accelerator Laboratory / npg / LK