04.04.2018

Schweizer Taschenmesser für Elektronenstrahlen

Neuartiger Mini-Beschleuniger vereint vier Geräte in einem.

Forscher bei DESY haben einen Mini-Teilchenbeschleuniger gebaut, der auf Knopf­druck vier ver­schie­dene Funktionen aus­führen kann. Das experi­men­telle Gerät namens STEAM wird mit Tera­hertz-Strahlung betrieben und kann Elek­tronen­pakete beschleu­nigen, kompri­mieren, fokus­sieren und analy­sieren. Seine aktive Struktur ist dabei nur einige Milli­meter groß. Eine der zentralen Eigen­schaften des neu­artigen Geräts ist die perfekte zeit­liche Abstim­mung mit dem Elek­tronen­strahl. Diese beruht darauf, das mit jeweils dem­selben Laser-Puls sowohl ein Elek­tronen­paket erzeugt als auch das Gerät betrieben wird.

Abb.: STEAM im Vergleich zu einem Spiel­zeug­auto. Der ein­tref­fende und aus­gehende Elek­tronen­strahl ist symbo­li­siert dar­ge­stellt. (Bild: G. Born, DESY)

„Wir starten mit einem infraroten Laser-Puls und teilen ihn auf“, erläutert Dong­fang Zhang aus der CFEL-Gruppe von Franz Kärtner am DESY. „Beide Teile werden durch nicht­lineare Kristalle geleitet, die die Laser-Wellen­länge ver­schieben: Für die Erzeu­gung des Elek­tronen­pakets wird die Wellen­länge des Lasers ins Ultra­vio­lette verkürzt und der Laser auf eine Photo­kathode geleitet, aus der er die Elek­tronen­pakete heraus­löst. Für STEAM wird die Wellen­länge in den Tera­hertz-Bereich ver­längert. Das Timing zwischen beiden Teilen des ursprüng­lichen Laser-Pulses hängt dabei nur von der Länge des Wegs ab, den sie nehmen, und lässt sich sehr genau ein­stellen.“

Auf diese Weise können die Wissenschaftler sehr genau kontrol­lieren, bei welchem Zustand des wech­selnden Tera­hertz-Feldes ein Elek­tronen­paket im Gerät ein­trifft. Je nach der genauen Ankunfts­zeit führt STEAM dann seine unter­schied­lichen Funkti­onen aus. „Ein Elek­tronen­paket, das den nega­tiven Teil des elek­trischen Tera­hertz-Feldes trifft, wird beispiels­weise beschleu­nigt“, erläutert Zhang. „Andere Teile des Feldes führen zum Fokus­sieren oder gezielten Defokus­sieren des Pakets oder zu einer Kompri­mierung um unge­fähr den Faktor Zehn.“

Darüber hinaus ermöglicht STEAM eine Untersuchung der Struktur des Elek­tronen­pakets entlang der Flug­rich­tung. Dafür wird das Paket seit­lich auf­ge­fächert. Wenn das auf­ge­fächerte Paket einen Detektor trifft, ent­steht ein Profil entlang der Längs­achse des Pakets. Diese Methode heißt Streaking und wird regel­mäßig für die Analyse von Elek­tronen­paketen in Teilchen­beschleu­nigern ein­ge­setzt. STEAM kann zusätz­lich zu seinen drei anderen Funkti­onen auch Elek­tronen­pakete für das Streaking passend auf­fächern. „STEAM ist eine Art Schweizer Taschen­messer für Elek­tronen­strahlen“, sagt Zhang. Um ver­schie­dene Funkti­onen an dem­selben Elek­tronen­paket aus­zu­führen, lassen sich mehrere der Geräte kombi­nieren.

Der Einsatz von Terahertz-Strahlung ist dabei auch ver­ant­wort­lich für die kompakte Bau­weise des experi­men­tellen Mani­pu­lators. „Tera­hertz-Strahlung hat typischer­weise eine hundert­mal kleinere Wellen­länge als die Radio­frequenz-Strahlung, die in den großen Teilchen­beschleu­nigern heute ein­ge­setzt wird. Daher lassen sich alle Struk­turen in dem Gerät ent­sprechend schrumpfen“, erläutert Kärtner. Mit nur etwas mehr als zwei Zenti­metern Breite passt STEAM bequem in eine Streich­holz­schachtel. „Und das ist nur das Gehäuse. Die aktiven Struk­turen liegen auf der Milli­meter­skala“, ergänzt Zhang.

Die STEAM-Technologie befindet sich noch in einem experi­men­tellen Stadium. Die Ent­wickler sehen STEAM als einen ersten wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer künf­tigen Genera­tion kompakter Tera­hertz-Elek­tronen­beschleu­niger, die heutige Anlagen ergänzen und ganz neue Anwen­dungen ermög­lichen kann. Der Mini-Mani­pu­lator kann aber bereits heute Anwen­dung finden. Beschleu­niger-Forscher rund um den Globus haben bereits Inte­resse für einen Ein­satz zur Unter­suchung ihrer Elek­tronen­pakete signa­li­siert, wie Kärtner betont. „STEAM kann für zukünf­tige Tisch-Beschleu­niger benutzt werden, aber seine ver­schie­denen Funkti­onen sind auch für exis­tie­rende Anlagen inte­res­sant.“

DESY / RK

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