Helmholtz-Wissenschaftler wollen mit neuem Konstruktionsprinzip die Limits von Laser-Plasma-Beschleunigern umgehen.

Dresden, 22. Dezember 2019. Sächsische Forscher haben womöglich einen Weg gefunden, um besonders kleine und dennoch sehr leistungsfähigen Elektronen-Beschleuniger zu konstruieren. Und dabei nutzen sie eine alte „Starwars“-Weisheit: Zwei Laserlanzen sind besser als eine. Das Team um Dr. Alexander Debus vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) will nämlich mit zwei Superlasern schräg in eine Plasma-Kammer hineinschießen, um die winzig kleinen Teilchen daran auf ein höheres Tempo zu bringen.

Kompakte Energiewaffen gegen den Krebs als Ziel

Wie zwei Lanzen sollen die Laser dabei Elektronen aus den Atomen herausreißen und durch seitliche Stöße bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Solche geräte können zum Beispiel im Kampf gegen Krebs, bei der Analyse neuer Elektronik und für biologische Experimente helfen. Möglich ist das zwar auch schon mit klassischen Beschleunigern – die sind aber so groß und teuer, dass sich nur wenige Institute und Krankenhäuser solche Anlagen leisten können.

Prototyp wird zunächst in der virtuellen Welt konstruiert

Bisher hat die Debus-Gruppe ihr neues Konstruktionsprinzip nur theoretisch im Computer durchgespielt. Als nächstes wollen sie mit einem der schnellsten Supercomputer der Welt, dem „Frontier“ in den USA, zunächst in der virtuellen Welt einen echten Hochenergie-Beschleuniger konstruieren und testen. Danach können sie daran gehen, ihren neuartigen Laser in der realen Welt zu bauen.

Beschleuniger sollen vom Giganto-Format auf Wohnzimmergröße schrumpfen

Wenn sie damit richtig liegen, könnten sie dann Elektronenbeschleuniger konstruieren, die nicht mehr viele Kilometer lang sind, sondern nur noch so groß wie ein Wohnzimmer. Dann könnten sich auch kleine Krankenhäuser und Forschungseinrichtungen derartige Anlagen leisten.

Bisher verlieren Laserlanzen zu sehr an Kraft

An lasergestützten Teilchen-Beschleunigern tüfteln Wissenschaftler und Ingenieure weltweit schon seit einigen Jahren. Bisher haben sie dabei mit einem einzelnen starken Laser in eine Gaskammer gefeuert. Dadurch werden darin Elektronen losgerissen, die dann auf einer Ladungsdichtewelle „reiten“ und dabei immer mehr Tempo gewinnen. Allerdings funktioniert dieses Elektronen-Surfen bisher immer nur bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit, dann rutschen die Teilchen aus der Welle heraus.

Das liegt unter anderem daran, dass der Laserstrahl mit wachsendem Abstand der Welle immer weiter auffächert und an Energie verliert. Außerdem bewegt sich Licht in einem Plasma langsamer als in einem Vakuum vorwärts. Dadurch gelingt es dem Laser nicht, die Elektronen auf Maximaltempo zu bringen. Und da Tempo und Energieniveau der Elektronen unmittelbar zusammenhängen, kamen bisherige Laser-Plasma-Anlagen bisher nur Energieniveaus um die zehn Milliarden Elektronenvolt (= GeV).

Konzept: Strahlenkreuzung bewegt sich mit Lichttempo durchs Plasma

Die Forscher wollen aber auf mehrere Billionen Elektronenvolt (= Tera-Elektronenvolt) kommen. Und dafür setzen die HZDR-Experten nun eben auf zwei Laser, deren Strahlen von zwei verschiedenen Seiten kommen. Deren Kreuzungspunkt soll sich im Plasma mit Vakuum-Lichtgeschwindigkeit vorwärtsbewegen – und dadurch auch die Elektronen nahe bis an dieses Tempo heranbringen.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quelle: HZDR, Oiger-Archiv

Wissenschaftliche Publikation darüber:

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, in Physical Review X, 2019 (DOI: 10.1103/PhysRevX.9.031044)

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