Schnappschüsse surfender Elektronen

Polarisationsmessungen machen den Ritt von Elektronen auf einer Plasmawelle sichtbar.

Teilchenbeschleunigung mit Laser-erzeugten Plasmawellen könnte in Zukunft 'klassische' Beschleuniger in einigen Bereichen ersetzen. Insbesondere dort, wo schlicht der Platz für konventionelle Beschleuniger fehlt, könnten Laser Abhilfe schaffen. In Prinzip sind elektrische Felder in den Plasmen so groß, dass sie Teilchen innerhalb von Zentimetern auf Geschwindigkeiten bringen können für die z.B. Radiofrequenzbeschleuniger Kilometer an Platz bräuchten. Um aber die Voraussetzungen und Mechanismen der Teilchenbeschleunigung in Plasmawellen gut zu verstehen und damit nutzbar zu machen, sind in der Regel aufwändige Computersimulationen nötig. Es spielen schlicht zu viele Teilchen eine Rolle als dass man exakte Vorhersagen über ihr Verhalten treffen könnte. Nun hat eine internationale Kollaboration von Forschern zeigen können, dass sich die Beschleunigung von Elektronen in einer Plasmawelle ‚filmen‘ lässt. Das könnte dafür nützlich sein, sowohl bestehende Experimente als auch dazugehörige Simulationen wesentlich zu verbessern.

In bloßen Zahlen gesprochen ist Teilchenbeschleunigung mit Hilfe von Lasern ein vielversprechendes Konzept. Die elektrische Feldstärke des Lichts in modernen Hochintensitätslasern ist viele Millionen mal größer als die Feldstärken, die in konventionellen Beschleunigern erreicht werden. Das lässt sich jedoch nicht unmittelbar ausnutzen: das elektrische Feld des Lichts wechselt ständig seine Richtung, noch dazu senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung.

Indirekt lässt sich der Laser aber sehr erfolgreich als Beschleuniger einsetzen. Feuert man mit dem Laser auf ein Gas, wird dieses zunächst ionisiert und in dem entstehenden Plasma eine Welle erzeugt. Anschaulich gesprochen, werden Elektronen durch den Strahlungsdruck des Laserpulses aus Bereichen hoher Intensität herausgedrückt und es entsteht ein elektrisches Feld entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserpulses, welches sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Dieses Feld wiederum zieht Elektronen hinter sich her, die Elektronen ‚surfen‘ auf der Plasmawelle.

Damit diese Plasmawelle aber tatsächlich Elektronen beschleunigen kann, muss die Welle jedoch noch ‚brechen‘. Dadurch können Elektronen aus dem Plasma selbst einen monoenergetischen Strahl ausbilden und müssen nicht von außen mit der richtigen Energie in das Plasma eingeschossen werden, wie verschiedene Gruppen im Jahr 2004 zeigen konnten.  Erst mit diesem Mechanismus wird die Laser-basierte Teilchenbeschleunigung konkurrenzfähig.

Um das Brechen der Plasmawelle für Anwendungen zu optimieren, sind jedoch aufwendige Computersimulationen nötig. Die schiere Anzahl der Teilchen macht es unmöglich den Prozess in allen Aspekten zu verstehen.

 

 

 

Abb.:  Versuchsaufbau: Der Hauptpuls erzeugt in einem Gasjet eine Plasmawelle durch die Elektronen beschleunigt werden. Das Magnetfeld, welches durch den Elektronenstrahl erzeugt wird, dreht die Polarisation des Probepulses ober- und unterhalb des Strahls jeweils in entgegengesetzter Richtung. (Bild: M.Kaluza et al., PRL (2010))

Eine direkte Beobachtung der Plasmawelle und ihr Brechen ist nun erstmals einer Kollaboration von Physikern aus Europa, Südafrika und den USA gelungen. Dazu ließen die Forscher einen polarisierten Probepuls mit der Plasmawelle kreuzen. Die magnetischen Felder, die von den ‚surfenden‘ Elektronen verursacht werden, drehten im Plasma die Polarisation des Testlasers durch den Faraday-Effekt ober- und unterhalb des Elektronenstroms in entgegengesetzte Richtung. Durch Messen der Drehung der Polarisation konnte also die Bewegung der Elektronen im Plasma sichtbar gemacht werden.

 

Dabei ergaben die Messungen unter anderem, dass das Brechen der Plasmawelle anders verläuft als von den Simulationen vorhergesagt. Überraschend ist das aber nicht. Die Menge an Details, die eine Simulation berücksichtigen muss, verlangt ausgeklügelte Modelle und viel Rechenzeit. Die Polarisationsmessung bietet den Forschern nun die Möglichkeit, ihre Plasmawelle direkt zu beobachten und zu untersuchen ob deren Verhalten zu den Vorhersagen der Simulation passt. Diese Daten könnten dann helfen um einerseits den Beschleunigungsprozess selbst weiter zu optimieren und andererseits auch die Simulationen realistischer zu gestalten.

 

 

 

Abb.: Polarisationsmessung des Probepulses nach seinem Durchlauf durch die Plasmawelle. Besonders stark gedreht wird die Polarisation des Testlasers in der Nähe des Hauptpulses, dort ist das Magnetfeld durch den Elektronenstrom am größten. (Bild: M.Kaluza et al., PRL)

 

Die Studie verspricht somit, den komplizierten Prozess von Teilchenbeschleunigung in Plasmawellen mit einfachen Mitteln weiter zu verbessern. Man darf gespannt sein, wo diese kompakten Beschleuniger überall zum Einsatz kommen werden.

 

Babette Döbrich

 

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Reprinted figure with permission from
  M.C. Kaluza et al.: Measurement of Magnetic-Field Structures in a Laser-Wakefield Accelerator.
  Phys. Rev. Lett. 105, 115002 (2010)
  Copyright 2010 by the American Physical Society.
  DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.115002
  http://prl.aps.org/abstract/PRL/v105/i11/e115002
   
• Homepage des IOQ Jena
   
• Department of Physics, Imperial College, London
   
• Labor für Hochintensitätslaser LULI
   
• Center for Ultrafast Optical Science (CUOS), Michigan
   
• Laser Research Institute, Stellenbosch
   
• Physik Department UCLA, Los Angeles

Weitere Literatur:

• K. Krushelnick and V. Malka: Laser wakefield plasma accelerators. Laser & Photonics Reviews, No. 1, 42-52 (2010)
  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.200810062/pdf
 
• M. Kaluza: Laser-Based Particle Acceleration. Optik & Photonik 2, 56-59 (2010)
   
• T. Tajima & J. M. Dawson: Laser electron accelerator. Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979) 
   
• S.P.D. Mangles et al.: Mono-energetic beams of relativistic electrons from intense laser–plasma interactions. Nature 431, 535 (2004) 
   
• C. G. R. Geddes et al.: High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding. Nature 431, 538 (2004) 
   
• J. Faure et al.: A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams. Nature 431, 541 (2004). 
  
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