Kompakte Elektronenschleuder

  • 12. December 2014

Laser-Plasma-Beschleuniger bringt Elektronen auf 4,2 GeV.

Ein Laser-Plasma-Beschleuniger erzeugt durch einen fokussierten Laserstrahl in einem Gas eine Plasmawelle, auf der Elektronen „surfen“ können. Dabei erreichen sie GeV-Energien schon nach wenigen Zentimetern Beschleunigungsstrecke, statt nach Metern wie in herkömmlichen Beschleunigern. Jetzt hat ein Laser-Plasma-Beschleuniger einen Energierekord aufgestellt.

Noch sind Laser-Plasma-Beschleuniger keine Konkurrenz für herkömmliche Teilchenbeschleuniger, die die geladenen Partikel mit Hochfrequenzfeldern auf hohe Energien bringen. Da hierbei aber nur etwa 100 MeV pro Meter Beschleunigungsstrecke möglich sind, ohne dass es zum elektrischen Durchschlag kommt, benötigt man gigantische Anlagen, will man den Teilchen Energien von vielen GeV oder sogar TeV geben.

Wie die Energie- und Winkelverteilung zeigt, haben die Elektronen 4,2 GeV und der Elektronenstrahl fächert nur wenig auf.

Abb.: Wie die Energie- und Winkelverteilung zeigt, haben die Elektronen 4,2 GeV und der Elektronenstrahl fächert nur wenig auf. (Bild: W. P. Leemans et al. / APS)

Mit Laser-Plasma-Beschleunigern lassen sich im Prinzip elektrische Felder von 100 GV/m erreichen, sodass nach diesem Prinzip wesentlich kompaktere und billigere Teilchenbeschleuniger denkbar sind. Dabei gibt es aber noch viele wissenschaftliche und technische Probleme zu lösen, ehe man kilometerlange Linearbeschleuniger auf ein Hundertstel ihrer Größe schrumpfen lassen kann.

Doch in den letzten zehn Jahren hat es bei den Laser-Plasma-Beschleunigern erhebliche Fortschritte gegeben. 2004 hatten drei Forschergruppen Elektronen auf Energien von bis zu 170 MeV gebracht, indem sie mit ultrakurzen Lichtpulsen eines Terawattlasers in einem ionisierten Gasstrahl Plasmawellen erzeugten, von deren elektrischen Feldern die Elektronen beschleunigt wurden.

Eine der drei Forschergruppen, die Wim Leemans vom Lawrence Berkeley National Laboratory geleitet hatte, verbesserte zwei Jahre später ihr Experiment entscheidend: Sie erzeugten das Plasma durch elektrische Entladung in einer gasgefüllten Kapillare, die 3,3 cm lang und 0,3 mm weit war und einen Saphirblock durchzog.

Unmittelbar nach der Entladung wurde ein intensiver, gepulster Laserstrahl in die Kapillare gefeuert, dessen Strahlungsdruck die Elektronen von den trägeren Atomrümpfen fortriss. Dabei entstand ein extrem starkes elektrisches Feld, das die meisten Elektronen wieder zu den Atomrümpfen zurücktrieb. Diese Anregung lief als Plasmawelle dem Laserpuls hinterher. Einige der freigesetzten Elektronen bewegten sich jedoch synchron mit der Welle und wurden immer weiter beschleunigt, sodass sie Energien von 1 GeV erreichten.

Seither haben Leemans und seine Mitarbeiter ihr Experiment weiterentwickelt. Zum einen benutzen sie jetzt eine 9 cm lange Kapillare und die Plasmawelle kann die Elektronen über eine längere Strecke beschleunigen. Zum anderen haben sie, gestützt auf umfangreiche Modellrechnungen, die Parameter ihres Experiments optimiert. Dazu gehören die Plasmadichte, das Intensitätsprofil des Laserstrahls und die Energie der einzelnen Laserpulse. Dadurch konnten sie sicherstellen, dass sich die zu beschleunigenden Elektronen über die gesamte Länge der Kapillare synchron mit der Plasmawelle bewegten.

Nachdem die beschleunigten Elektronen die Kapillare verlassen hatten, wurden sie zur Analyse durch ein starkes Magnetfeld abgelenkt. Sie trafen auf einen Phosphorschirm, den sie zum Leuchten brachten, was mit einer CCD-Kamera aufgezeichnet wurde. An der Position und Helligkeitsverteilung des Leuchtflecks ließen sich sowohl die Energieverteilung der Elektronen als auch der Auffächerungswinkel des Elektronenstrahls ablesen. Dieser betrug etwa 0,3 mrad, während die Elektronenenergie bei 4,2 (+0,6/–0,4) GeV lag. Dieser Energierekord wurde mit Laserpulsen erreicht, deren Spitzenleistung von 0,3 Petawatt deutlich unter der Leistung lag, die bei früheren Experimenten zur Erzeugung von GeV-Elektronen nötig gewesen war.

Mit diesem Ergebnis scheint die 10 GeV-Marke für die Laser-Plasma-Beschleunigung in Reichweite zu kommen. Indem man dann hundert solcher 10-GeV-Beschleuniger hintereinander schaltet, könnte man sowohl Elektronen als auch Positronen auf Energien bringen, wie man sie mit dem geplanten International Linear Collider anstrebt, der Elektronen und Positron mit TeV-Energie zusammenstoßen lassen soll. Doch dazu muss die Strahlintensität der Laser-Plasma-Beschleuniger noch vergrößert werden. Außerdem muss die Übergabe der schnellen Teilchen von einer Stufe zur nächsten reibungslos ablaufen, ohne dass weitere, langsamere Teilchen hinzukommen, die die Energieverteilung verbreitern würden.

Ein näher liegendes Ziel besteht darin, mit GeV-Elektronen aus einem kompakten Laser-Plasma-Beschleuniger kurzwellige elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Darüber hinaus könnte man mit diesen Elektronen auch einen Freie-Elektronen-Laser für Röntgenstrahlung betreiben.

Rainer Scharf

OD

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