Teilchenbeschleuniger mit Energierecycling

Ein Desy-Team um Dongfang Zhang vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) hat einen zweistufigen Mini-Beschleuniger gebaut, der einen Teil der einge­speisten Laser­energie recycelt und damit die beschleunigten Teilchen ein zweites Mal anschiebt. Das Gerät arbeitet mit Terahertz-Strahlung im Wellenlängen­bereich zwischen Infrarot­licht und Radiowellen. Jede einzelne Beschleuniger­röhre ist lediglich anderthalb Zentimeter lang und hat 0,79 Millimeter Durchmesser. 

Terahertz-Strahlung hat eine rund tausendmal kürzere Wellenlänge als die in konven­tionellen Teilchen­beschleunigern verwendete Radiowellen, dadurch können alle Komponenten viel kleiner sein. Die noch experi­mentellen Geräte erreichen momentan nicht die Energie und bieten nicht die hohe Teilchenzahl großer Beschleuniger, sollen jedoch Anwendungen ermöglichen, bei denen große Teilchen­beschleuniger nicht möglich oder nicht nötig sind. „Terahertz-basierte Beschleuniger haben sich als vielver­sprechende Kandidaten für kompakte Elektronen­quellen der nächsten Generation heraus­gestellt“, erläutert Franz Kärtner, Leiter der CFEL-Gruppe, die das experimentelle Gerät gebaut hat. „Die Technik ist allerdings noch in einer frühen Phase, und die Leistung von experi­mentellen Terahertz-Beschleunigern ist begrenzt durch die relativ kurze Region der Wechselwirkung zwischen dem Terahertz-Puls und den Elektronen.“

Ihren Doppel-Beschleuniger speisen die Forscher im Gegensatz zu früheren Experi­menten mit längeren Pulsen aus mehreren Zyklen von Terahertz­wellen. Dadurch verlängert sich die Wechselwirkungsregion mit den zu beschleu­nigenden Teilchen deutlich. „Wir speisen den Multizyklus-Terahertz-Puls in einen Wellenleiter, der mit einem dielek­trischen Material ausgekleidet ist“, erläutert Zhang. Innerhalb dieses Wellenleiters sinkt die Geschwin­digkeit des Terahertz-Pulses. Die Forscher schießen ein Elektronen­paket so in die Mitte des Wellenleiters, dass er genau mit dem Puls zusammen hindurch fliegt. „Dieses Verfahren verlängert die Wechsel­wirkungsregion zwischen Terahertz-Puls und Elektronenpaket in den Zentimeter­bereich – verglichen mit wenigen Millimetern in früheren Versuchen“, erläutert Zhang.

Zwar lieferte der experimentelle Aufbau im Labor noch keine große Beschleunigung, das Team konnte jedoch zeigen, dass die Elektronen Energie hinzugewinnen. „Es handelt sich um einen Beleg für die Mach­barkeit. Die Energie der Elektronen stieg von 55 auf 56,5 Kilo-Elektronen­volt“, berichtet Zhang. „Eine stärkere Beschleunigung lässt sich mit einem stärkeren Laser erreichen, mit dem die Terahertz-Pulse erzeugt werden.“ Der Aufbau ist vor allem für den nicht-relati­vistischen Bereich entworfen worden, in dem sich die Elektronen noch nicht der Licht­geschwindigkeit annähern. Das ermöglicht ein Recycling des Terahertz-Pulses für eine zweite Beschleunigungs­stufe. „Sobald der Terahertz-Puls den Wellenleiter verlässt und ins Vakuum fliegt, erhöht sich seine im Wellenleiter abgebremste Geschwindigkeit wieder auf die Licht­geschwindigkeit“, erläutert Zhang. „Das bedeutet, der Puls überholt das langsamere Elektronen­paket innerhalb einiger Zentimeter. Wir haben den zweiten Wellenleiter nun in genau dem passenden Abstand platziert, so dass die Elektronen ihn wieder gerade zusammen mit dem Terahertz-Puls durchqueren, dessen Geschwin­digkeit ja im zweiten Wellenleiter wieder gebremst wird. Auf diese Weise entsteht eine zweite Wechsel­wirkungsregion, in der sich die Energie der Elektronen weiter erhöht.“

Im Laborversuch ließ sich zunächst erst ein kleiner Teil des Terahertz-Pulses auf diese Weise recyceln. Das Experiment zeigt jedoch, dass dieses Recycling grundsätzlich möglich ist, und Zhang ist zuversichtlich, dass sich der recycelte Anteil noch deutlich erhöhen lässt. Der Teamleiter des Projekts aus der CFEL-Gruppe, Nicholas Mattlis, sagt: „Unser Mehrstufen-Verfahren wird die Anfor­derungen an das für die nicht-rela­tivistische Elektronen­beschleunigung benötigte Lasersystem erheblich reduzieren, was neue Möglich­keiten für das Design von Terahertz-basierten Beschleunigern eröffnet.“

DESY / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Zhang et al.: Cascaded Multicycle Terahertz-Driven Ultrafast Electron Acceleration and Manipulation, Phys. Rev. X 10, 11067 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevX.10.011067
• Ultra Fast Optics and X-Rays, Center for Free-Electron Laser Science CFEL, Deutsches Elektronen Synchrotron, Hamburg