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Astronomie+Physik

Plasmabeschleuniger erzielt Weltrekord

Plasmabeschleuniger
Eine 20 Zentimeter lange Plasmazelle, wie sie für die Rorkdbeschleunigung benutzt wurde. (Bild: Lawrence Berkeley National Laboratory/ Marilyn Chun)

Bisher müssen Teilchenbeschleuniger hunderte Meter lang sein, um hohe Leistungen zu erreichen. Doch jetzt ist ein nur 20 Zentimeter kleiner Plasmabeschleuniger in die „Liga der Großen“ vorgestoßen: Er beschleunigte Elektronen auf Energien von knapp acht Gigaelektronenvolt – ein neuer Rekord. Möglich wurde dies durch einen Laserpuls, der dem eigentlichen Beschleunigerstrahl den Weg durch das Plasma bahnte. Nach Ansicht der Forscher könnte dieser Durchbruch dazu beitragen, Plasmabeschleuniger anwendungsreif zu machen – und damit günstigere und kleinere Anlagen als bisher zu ermöglichen.

Teilchenbeschleuniger sind normalerweise vor allem eines: riesig. Um Protonen und andere Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu bringen, werden supraleitende Elektromagneten in kilometergroßen Beschleunigerringen eingesetzt. Diese Technik wird unter anderem beim Large Hadron Collider (LHC) am Forschungszentrum CERN bei Genf genutzt, aber auch für die Erzeugung der Synchrotronstrahlung bei Freie-Elektronenlasern. Das Problem: Die Leistung dieser Beschleuniger ist auf rund 100 Megaelektronenvolt (MeV) pro Meter Strecke begrenzt – mehr würde das Material nicht aushalten. Will man mehr Leistung erzielen, müssen diese Anlagen daher immer länger werden – und das wird teuer.

„Laserbohrer“ bahnt den Weg

Doch es gibt eine schon vor rund 40 Jahren postulierte Alternative: Plasmabeschleuniger. Bei diesen wird ein Laser- oder Protonenstrahl durch einen dünnen Kanal voller Plasma geschossen – einem Gas, dessen Teilchen Elektronen entrissen wurden. Der gepulste Strahl erzeugt eine Art Kielwelle im Plasma – eine kollektive Bewegung der Teilchen, auf denen die freien Elektronen des Plasmas mitgerissen und beschleunigt werden. Weil sich der Beschleunigerstrahl mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, kann die sogenannte Kielfeld-Beschleunigung (Plasma Wakefield Acceleration) Elektronen auf kurzer Strecke sehr viel stärker beschleunigen als klassische Teilchenbeschleuniger. Theoretisch sind dadurch Werte von rund einem Teraelektronenvolt pro Meter erreichbar. Allerdings gibt es einen Haken: Die Kielwellen bisheriger Laser-Plasmabeschleuniger verlieren schon nach wenigen Zentimetern ihre Kraft, weil das Plasma sie abbremst – und das begrenzte ihre Leistung auf bisher maximal 4,25 Gigaelektronenvolt.

Jetzt jedoch haben Anthony Gonsalves vom Lawrence Berkeley National Laboratory und sein Team eine Technik entwickelt, die die bisherige Beschränkung überwindet. Normalerweise bahnt eine elektrische Entladung dem Laserpuls in dem dünnen, mit Plasma gefüllten Beschleunigerröhrchen den Weg. Sie sorgt dafür, dass das Plasma in der Mitte ausdünnt und am Rand eine dichtere Hülle bildet – eine Art Kanal aus Plasma. Bisher jedoch waren im Zentrum noch immer zu viele Teilchen präsent. Dieses Problem haben die Forscher nun gelöst, indem sie Sekundenbruchteile nach der Entladung den Plasmakanal mit einem zweiten Laser vertieften. Dieser bohrt sich kurz vor dem eigentlichen Beschleunigerpuls durch das Plasma und heizt es im Zentrum stark auf. Erst dann folgt der nur 35 Femtosekunden kurze, aber 850 Terawatt starke Laserpuls, der die Kielwellen erzeugt. „Das Timing von Entladung, Heizpuls und Beschleuniger-Puls war dabei entscheidend“, erklärt Gonsalves.

Meilenstein für die Plasmabeschleunigung

Das Ergebnis: Erstmals gelang es den Forschern, Elektronen in einem Laser-Plasmabeschleuniger bis auf 7,8 Gigaelektronenvolt zu beschleunigen – und dies in einer Glasröhre von nur 20 Zentimetern Länge. Damit haben sie nicht nur den vorherigen Rekord verdoppelt, ihre neue Methode öffnet auch den Weg zu noch höheren Leistungen. „Die Entwicklung stabiler Plasmabeschleuniger mit einer Energie nahe zehn Giga-Elektronenvolt markiert einen Meilenstein auf dem Weg vom Labor zu ersten Anwendungen“, sagt Co-Autor Wim Leemans vom Deutschen Elektronensynchrotron (DESY). „Zusammen mit anderen Verfahren zur Kontrolle von Beschleunigung, Strahlstabilität und -qualität, wird dies kompakte Elektronenquellen möglich machen.“

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Auch andere Physiker sehen diesen Rekord als wichtigen Durchbruch: „Das jetzt in ‚Physical Review Letters‘ veröffentlichte Resultat aus Berkeley stellt einen Meilenstein für Laser-Plasmabeschleuniger dar“, kommentiert der nicht an der Studie beteiligte DESY-Forscher Ralph Aßmann. „Hier wird nicht nur ein neuer Energierekord gezeigt, sondern es wurde eine innovative Methode entwickelt, mit der eine mittlere Beschleunigungsspannung von 40 Milliarden Volt pro Meter über eine Strecke von 20 Zentimetern robust erzeugt wurde. Diese neue Technologie eröffnet ganz neue Möglichkeiten.“

Quelle: Anthony Gonsalves (Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley) et al., Physical Review Letters, doi: 10.1103/PhysRevLett.122.084801

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