20.12.2022

Plasmabeschleunigung im Tandem

Laser-und Teilchenstrahl-getriebene Wakefield-Beschleunigung kombiniert.

Wenn ein Teilchenbeschleuniger alleine nicht ausreicht, um zum gewünschten Ergebnis zu gelangen, warum nicht zwei Beschleuniger kombinieren? Ein internationales Team unter Leitung von Physikern am Centre for Advanced Laser Applications (CALA) der LMU hat genau diese Idee umgesetzt. Das Team kombinierte zwei plasmabasierte Beschleunigungs­methoden für Elektronen, und zwar einen Laser-getriebenen Wakefield-Beschleuniger (LWFA) mit einem Teilchenstrahl-getriebenem-Wakefield-Beschleuniger (PWFA). So erreichten sie für Elektronenstrahlen eine bessere Stabilität und eine höhere Teilchen­dichte als mit nur einem einzelnen Plasma­beschleuniger. Die innovative Methode eröffnet der plasmabasierten Teilchen­beschleunigung neue Perspektiven.

 

Abb.: Darstellung der Kiel­wellen­felder in einem zweistufigen...
Abb.: Darstellung der Kiel­wellen­felder in einem zweistufigen Plasma­beschleuniger (Bild: M. Förster)

Plasmabasierte Wakefield-Beschleunigung gilt als aussichtsreicher Kandidat für die nächste Generation von Teilchen­beschleunigern. In einer solchen Maschine bewegt sich ein intensiver Treiber durch ein Plasma. Der Treiber, entweder ein intensiver Laserpuls oder ein kurzer, sehr intensiver Puls von hoch­energetischen Teilchen, verdrängt die Plasmaelektronen, die sich in seinem Weg befinden. Ähnlich wie bei einem Boot auf einem See fließt die verdrängte Materie hinter dem Treiber zurück in ihre Ausgangs­position. Auf der so entstehenden Kielwelle hinter dem Treiber können wiederum Elektronen surfen und innerhalb weniger Millimeter Energien im Giga­elektonen­volt-Bereich erlangen. Aufgrund der enorm großen Beschleunigungsfelder sind diese Plasma­beschleuniger allerdings äußerst schwer zu zähmen.

Die CALA-Laserphysiker um Moritz Förster und Stefan Karsch haben nun experimentell gezeigt, dass durch die Kombination eines lasergetriebenen und eines Elektronen­strahl-getriebenen Plasma­beschleunigers eine höhere Stabilität und Teilchendichte erreicht wird, als dies mit einer einzelnen, lasergetriebenen Beschleunigerstufe möglich ist. Bei diesem hybriden Ansatz werden in einem ersten lasergetriebenen Wakefield-Beschleuniger Elektronenpakete mit einem hohen Spitzenstrom erzeugt. Diese Elektronen dienen als Treiber für den nachfolgenden teilchen­getriebenen Wakefield-Beschleuniger, in dem wiederum Elektronen beschleunigt werden.

Die Stabilität des neu erzeugten Elektronenpakets ist deutlich höher, da die zweite Beschleuniger­stufe weit weniger sensibel auf unvermeidbare Fluktuationen des Treibers reagiert. Der hybride Ansatz kombiniert somit die Vorteile der beiden komplementären Treiberarten für plasmabasierte Beschleuniger.

Stabilität und hohe Ladungsdichte der erzeugten Elektronenpakete sind eine grundlegende Voraussetzung für die Erzeugung brillanter Röntgen­strahlung über verschiedene Mechanismen. Einerseits sind die schmalbandigen, wenig divergenten Elektronenpakete ideal geeignet für die Erzeugung harter Röntgen­strahlung durch Thomson-Rückstreuung, die für die medizinische Bildgebung genutzt werden kann. Andererseits sollte die hohe Strahl­qualität anspruchsvolle neuartige Anwendungen wie plasma­basierte Freie-Elektronen-Laser (FEL) ermöglichen. Solche FEL-Strahlung ließe sich künftig für die Untersuchung ultraschneller Phänomene in Festkörpern mit räumlich und zeitlich atomarer Auflösung verwenden.

LMU / DE

 

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