Suchen

Plasma-Wakefield-Beschleunigung Teilchenbeschleuniger im Miniformat

| Redakteur: Christian Lüttmann

Zur Erforschung der kleinsten, subatomaren Bestandteile der Materie nutzen Physiker riesige Teilchenbeschleuniger. Zukunftsweisend gilt hier die Plasma-Wakefield-Beschleunigung. Doch die Technologie wirft noch viele Fragen auf. Um diese zu klären, haben Forscher der Universität München nun ein Miniaturmodell entwickelt, mit dem sich die Grundlagen der neuen Beschleuniger nicht mehr nur an Großanlagen, sondern auch im Labormaßstab erforschen lassen.

Firmen zum Thema

Laserphysiker um Professor Stefan Karsch erforschen die Laser-Wakefield-Beschleunigungs-Technologie am Centre for Advanced Laser Applications der LMU.
Laserphysiker um Professor Stefan Karsch erforschen die Laser-Wakefield-Beschleunigungs-Technologie am Centre for Advanced Laser Applications der LMU.
(Bild: Thorsten Naeser)

München – Wer verstehen möchte, wie unsere Welt auf ganz elementarer Ebene funktioniert, sollte einen möglichst leistungsstarken Teilchenbeschleuniger zur Verfügung haben. Als heißer Kandidat, die nächste Generation von Beschleunigern anzutreiben und damit noch anspruchsvollere Forschung zu ermöglichen, gilt die so genannte Plasma-Wakefield-Beschleunigung (PWFA).

Bis heute sind jedoch wichtige technische und physikalische Fragen rund um diese Technologie ungeklärt. Das liegt vor allem daran, dass nur wenige Großbeschleuniger die zum Antrieb der Plasmawellen geeigneten Elektronenpulse erzeugen können. Doch nun macht ein Team um Professor Stefan Karsch vom Labor für Attosekundenphysik an der Universität München (LMU) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik mit einem Miniatur-Modell die Erforschung von PWFA auch im Universitätslabor möglich und stellt die Technologieentwicklung so auf eine breitere Basis.

Wellenreiten im Teilchenbeschleuniger

Die Plasma-Wakefield-Beschleunigung, die als neuartige Beschleunigertechnologie die Größe und damit Kosten solcher Projekte drastisch reduzieren könnte, verwendet Plasmawellen statt Radiowellen zur Beschleunigung. Die Plasmabeschleunigung lässt Elektronen auf einer Welle surfen.

Diese wird durch einen kurzen, hochdichten Elektronenpuls erzeugt, der als Treiberpuls durch ein Plasma geschickt wird. Die Elektronen im Plasma werden dabei von den Elektronen im Treiberpuls abgestoßen, in etwa so wie ein Schiff Wasser verdrängt, und bilden deshalb eine Kielwelle. Auf dieser Kielwelle können jetzt wiederum andere Elektronen surfen und dabei eine deutlich höhere Energie gewinnen als die Elektronen im Treiberpuls. Bislang waren dafür noch große, konventionelle Beschleuniger notwendig. Darum wird diese Technik bisher nur an wenigen Großanlagen wie SLAC oder CERN erforscht.

Mehr über die Plasma-Wakefield-Beschleunigung erfahren Sie in diesem Beitrag:

Ein Wellenbecken für beschleunigte Elektronen

Im Laboratory for Extreme Photonics der LMU entwickelten die Forscher um Karsch nun aber eine Miniaturversion von PWFA. Diese funktioniert ähnlich wie ein Wellenbecken, in dem man mit kleinen Modellen zum Beispiel Strömungen im Ozean studieren kann. Dabei verwendeten die Physiker den Atlas-Laser der LMU als Erzeuger für die Treiberstrahlen. Dessen intensive Teilchenstrahlen erlaubten es ihnen, einen wenige Millimeter langen Plasmabeschleuniger zu schaffen und dabei das Kielwellenfeld abzubilden.

Ihr rein optischer Ansatz gewährte den Forschern neue Einblicke in das Plasma. So beobachteten die Laserphysiker erstmals die Langzeitdynamik der Welle und die Bewegung der Ionen im Plasma, deren Dynamik üblicherweise in Simulationsrechnungen vernachlässigt wird. Diese Beobachtungen können nun direkt zur Optimierung von PWFAs an Großanlagen verwendet werden.

Originalpublikation: M. F. Gilljohann, H. Ding, A. Döpp, J. Götzfried, S. Schindler, G. Schilling, S. Corde, A. Debus, T. Heinemann, B. Hidding, S. M. Hooker, A. Irman, O. Kononenko, T. Kurz, A. Martinez de la Ossa, U. Schramm, and S. Karsch: Direct Observation of Plasma Waves and Dynamics Induced by Laser-Accelerated Electron Beams. Phys. Rev. X 9, 011046 – Published 12 March 2019; DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011046

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 45829240)