Forschung & Entwicklung

Konzept für laserbasierte Elektronenbeschleuniger

Die erreichbare Maximalenergie von Laserplasmabeschleunigern pro Beschleunigungsstufe ist limitiert. Mittels eines Konzepts auf Grundlage theoretischer Überlegungen und Simulationen könnten die Grenzen fallen.

Mit Teilchenbeschleunigern gehen Physiker den Rätseln der Materie auf den Grund. Biologen speisen damit Röntgenlaser, um Zellen bei der Arbeit zuzusehen. Mediziner behandeln mit den energiereichen Strahlen Krebserkrankungen und Ingenieure nutzen sie, um sparsamere Bauelemente für die Leistungselektronik zu erschaffen. Doch herkömmliche Beschleuniger sind enorm groß und sehr kostspielig. Ein Beispiel: Um den Röntgenstrahl am European XFEL zu produzieren, wird ein Elektronenstrahl mit 17,5 Gigaelektronenvolt (GeV) benötigt – der dazugehörige Beschleuniger hat eine Länge von rund 1,7 Kilometer.

„Einen Plasmabeschleuniger mit der gleichen Elektronenenergie kann man über 1000, vielleicht sogar 10 000 Mal kleiner bauen“, sagt Alexander Debus vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). „Was vorher Kilometer waren, sind dann nur noch Zentimeter.“ An der Technologie haben in den vergangenen 20 Jahren viele Forscher intensiv gearbeitet. Heute lassen sich mit den kompakten Geräten die Elektronen in einem Durchgang bis auf 10 GeV beschleunigen. Doch damit scheint das Ende der Fahnenstange erreicht zu sein. Von Energien für grundlegende Teilchenphysik im Bereich einiger Teraelektronenvolt (TeV), wie sie der Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in der Schweiz mit Protonen erreicht, sind Laserplasmabeschleuniger aktuell noch einige Größenordnungen weit entfernt.

Das wollten Debus und sein Team ändern. Ihr Ziel: Sie möchten die Elektronen gern auf die höchsten, auf der Erde erreichbaren Energien beschleunigen. Dafür haben sie nun ein Konzept entworfen, das die Grenzen überwinden könnte. Anders als bisher üblich, schießen sie nicht mit einem Laser in Längsachse durch das Plasma, sondern bringen die Energie mit zwei getrennten Lasern von seitlich außen in eine Ebene hinein. Ihre theoretischen Überlegungen haben die Wissenschaftler mit verschiedenen Simulationen überprüft und weiter verfeinert.

Um Elektronen zu beschleunigen, wird bei aktuellen Plasmabeschleunigern ein intensiver Laserstrahl auf ein Gas gelenkt. Die hohe Intensität entreißt den Gasatomen ihre Elektronen, wodurch sie ionisiert werden und ein Plasma entsteht. In diesem treibt der Laserstrahl eine Ladungsdichtewelle an. Werden nun zusätzlich Elektronen in diese Plasmawelle eingeschossen, gewinnen sie Energie aus der Welle und werden so beschleunigt. „Es gibt aber drei grundlegende Probleme, die eine Maximalenergie oberhalb von 10 GeV innerhalb einer Beschleunigungsstufe verhindern“, führt Debus aus. Das Dephasing-, das Depletion- und das Defokussierungs-Limit.

Für jedes einzelne dieser Limits, existieren heute schon experimentell erprobte Ansätze, um es zu umgehen – jedoch nicht für alle Limits gemeinsam. Auch der Versuch höhere Elektronenenergien durch mehrere, aufeinanderfolgende Beschleunigerstufen zu realisieren, führt oft dazu, dass sich andere Strahlparameter, wie die beschleunigte Ladung, verschlechtern. Debus und sein Team wollen alle drei Leistungsbegrenzungen für Laserplasmabeschleuniger gleichzeitig und dauerhaft überwinden.

„Wir heben die Naturgesetze natürlich nicht auf“, schränkt der Physiker ein. „Aber wir schlagen einen anderen Aufbau für die Beschleuniger vor, bei dem die bisher limitierenden Gesetzmäßigkeiten keine Rolle mehr spielen.“ Dieser Aufbau basiert auf einer komplexen, präzise ausgefeilten Geometrie: Zwei hochintensive Laserpulse werden von seitlich außen auf ein Gas – das Beschleunigermedium – gerichtet. Während dabei die Laserpulse zylindrisch fokussiert sein müssen, sind die Fronten der Laserpulse in einem bestimmten Winkel verkippt, damit der Kreuzungspunkt beider Laserpulse im Plasma sich mit Vakuumlichtgeschwindigkeit entlang der Beschleunigungsstrecke vorwärtsbewegt.

Für die Zukunft der Laserplasmabeschleuniger bietet das neue Konzept mehrere Vorteile. Einerseits kann dieser Beschleunigertyp damit immer länger gebaut werden und immer höhere Energien deutlich über 10 GeV erreichen. Andererseits können nun auch niedrigere GeV-Elektronenenergien bei hohen Plasmadichten und gleichzeitig geringerer Laserenergie erzielt werden. Dies ermöglicht es, bei gleicher Lasergesamtleistung die Wiederholrate des Elektronenstrahls zu erhöhen.

Im nächsten Schritt werden Debus und sein Team das von ihnen vorgeschlagene Konzept im Labor umsetzen. Ziel ist ein funktionierender Laserplasmabeschleuniger, mit dem sie die theoretischen Vorhersagen überprüfen können. Parallel dazu wird diese neue Beschleunigerklasse auch theoretisch weiter erforscht. Aktuell verfügbare Rechenressourcen reichen jedoch noch nicht aus, um einen Beschleuniger der 100-GeV bis TeV-Skala auf einem Supercomputer zu simulieren. Dafür wollen die HZDR-Physiker den Großrechner Frontier nutzen, der bis 2021 in den USA am Oakridge National Lab (ORNL) entsteht.

von mn

Originalveröffentlichung:

[A. Debus, R. Pausch, A. Huebl, K. Steiniger, R. Widera, T. E. Cowan, U. Schramm, M. Bussmann, Circumventing the dephasing and depletion limits of laser-wakefield acceleration, Phys. Rev. X (2019), DOI: 10.1103/PhysRevX.9.031044]

www.hzdr.de

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