Wenn Elektronen auf der Welle reiten

Klassische Elektronen­beschleuniger haben sich zu einem unverzichtbaren Instrument der modernen Forschung entwickelt. So erlaubt die extrem helle Strahlung von Synchrotrons oder Freie-­Elektronen-­Lasern einmalige Einblicke in die Materie auf atomarer Ebene. Doch sogar kleinere Varianten dieser Super-Mikro­skope umfassen die Größe eines Fußball­feldes. Eine Alternative, die wesentlich weniger Platz benötigt und auch viel höhere Spitzen­ströme erzielen kann, bietet die Laser­plasma-­Be­schleu­nigung. Das könnte die Basis für die nächste Generation kompakter Licht­quellen liefern. Bislang war es aber schwer, einen verlässlichen und stabilen Elektronen­strahl mit den Laser­beschleuni­gern zu erzeugen: die Voraussetzung für mögliche Anwendungen. Physiker des Helmholtz-­Zentrums Dresden-­Rossendorf (HZDR) konnten nun eine Methode entwickeln, um die Stabilität und die Qualität des Strahls zu erhöhen.

An sich scheint das Prinzip der Laser-­Beschleunigung relativ einfach: Ein gebündelter, ultra­starker Laser­strahl trifft auf einen Hauch von Gas, wodurch sich sofort ein Plasma – ein ioni­sierter Materie­zustand oder, anders ausgedrückt, ein bro­delndes Gemisch geladener Teilchen – bildet. Die Wucht des Licht­pulses entreißt den Atomen die Elek­tronen und kreiert eine Art Blase im Plasma, die ein starkes elektrisches Feld enthält. Dieses Feld, das der Laser­puls wie eine Heck­welle hinter sich herzieht, schließt die Elek­tronen ein und be­schleu­nigt sie auf nahezu Licht­geschwin­digkeit. „Mithilfe der rasanten Teil­chen können wir Röntgenstrahlung erzeugen“, erläutert Dr. Arie Irman vom HZDR-­Institut für Strahlen­physik den Zweck des Vorgangs. „Wenn wir diese Elektronen­bündel zum Beispiel mit einem weiteren Laser­strahl zusammen­prallen lassen, entstehen helle, kurze Röntgen­blitze – ein überaus wertvolles Forschungs­werkzeug, um extreme Materiez­ustände zu unter­suchen.“

Die Stärke der sekundären Strahlung hängt dabei vor allem vom elektrischen Strom der Teilchen ab. Der Strom wiederum wird maßgeblich von der Anzahl der ein­gespeis­ten Elek­tronen bestimmt. Die Beschleu­nigung per Laser­kraft hält deshalb ein großes Poten­tial, da sie im Vergleich zur konven­tionellen Variante deutlich höhere Spitzenströme erreicht. Jedoch greift in diesem Fall der Beam-­Loading-­Effekt, wie Physiker Jurjen Pieter Couperus ein­schränkt: „Diese höheren Ströme brauchen so viel elek­trische Ladung, dass die Felder des Elektronen­bündels die Welle überlagern, wodurch sich der Strahl verformt. Das Bündel wird in die Länge gezogen und dadurch nicht richtig beschleunigt. Die Elek­tronen haben deshalb unter­schied­liche Energien und damit unter­schiedl­iche Qualität.“ Um sie aber als Instrument für andere Experi­mente nutzen zu können, muss jeder Strahl die gleichen Parameter aufweisen. „Die Elek­tronen müssen zur rechten Zeit am rechten Ort sein“, fasst der Dokto­rand aus Irmans Team zusammen.

Erstmals konnten die beiden Forscher zusammen mit weiteren HZDR-Kollegen zeigen, wie sich der Beam-­Loading-­Effekt für die Ver­bes­serung der Strahl­qualität ausnutzen lässt. Das Helium, das üblicher­weise mit dem Laser­puls beschossen wird, versetzten sie dafür mit einem kleinen Teil an Stick­stoff. „Wir können die Anzahl der ein­ge­speis­ten Elek­tronen kontrollieren, indem wir die Konzen­tration des Stickstoffs variieren“, erklärt Irman. „In den Experi­menten stellten wir fest, dass bei einer Ladung von etwa 300 Pico­coulomb optimale Bedingungen herrschen. Abweichungen davon – indem wir mehr oder weniger Elektronen in die Welle laden – führen zu einer breiteren Energie­verteilung, wodurch die Qualität des Strahls leidet.“

Wie die Berech­nungen der Physiker gezeigt haben, führten die optimalen Bedingungen bei ihren Versuchen zu einem Spitzen­strom von rund 50 Kilo­ampere. „Für einen ICE fließen durch eine Standard­ober­leitung der Deutschen Bahn, zum Vergleich, nur etwa 0,6 Kilo­ampere“, erklärt Jurjen Pieter Couperus, der sich aber sicher ist, dass sich der Rekord noch ausbauen lässt. „Mit einem Laser­puls im Peta­watt-­Bereich, den unser Hoch­inten­sitäts­laser DRACO erreichen kann, sollte sich mit unseren Para­metern ein hoch­wertiger Elek­tronen­strahl mit einem Spitzen­strom von 150 Kilo­ampere erzeugen lassen. Das übertrifft moderne Groß­forschungs-­Beschleuniger­anlagen um circa zwei Größen­ord­nungen.“ Nach Ansicht der Dresdner Forscher würde das die Tür zur nächsten Gene­ration kompakter Strahlungs­quellen weit aufstoßen.

HZDR / LK