Neuer Teilchenbeschleuniger wird von gekrümmten Laserstrahlen angetrieben – Physics World

Ein Laser-Wakefield-Beschleuniger (LWFA), der seine Laserstrahlen entlang gekrümmter Kanäle führt und gleichzeitig Elektronen beschleunigt, wurde von entwickelt Jie Zhang und Kollegen an der Shanghai Jiao Tong University in China. Die neue Technik könnte ein wichtiger Schritt zur Entwicklung kompakter, kostengünstiger Alternativen zu herkömmlichen Teilchenbeschleunigern sein.

In einem LWFA wird ein dichtes Plasma erzeugt, indem ein intensiver Laserpuls in ein Gas fokussiert wird. Während es sich durch das Gas bewegt, erzeugt der Impuls einen Bereich alternierender elektrischer Felder – ein „Wakefield“ –, das einer Wasserwelle ähnelt, die sich im Kielwasser eines fahrenden Bootes bildet.

Durch das Reiten dieser Wellen können Elektronen im Plasma über sehr kurze Distanzen auf sehr hohe Energien beschleunigt werden. Daher ist diese Technik vielversprechend für die Entwicklung von Beschleunigern, die viel kleiner als herkömmliche Systeme sind. Solche kompakten Geräte wären für medizinische und Forschungsanwendungen sehr nützlich.

Probleme mit der Reinjektion

Damit Elektronen relativistische Geschwindigkeiten erreichen, muss die Beschleunigung mehrmals erfolgen, wobei Elektronen von einer LWFA-Stufe in die nächste injiziert werden. Als Teammitglied ist das nicht einfach min Chen erklärt: „Da die Spur eine Größe von mehreren zehn Mikrometern hat und ihre Geschwindigkeit sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt, ist die erneute Elektroneninjektion äußerst schwierig.“ Während einige neuere Studien mithilfe von Techniken wie Plasmalinsen eine Reinjektion erreicht haben, ist es den Forschern nur gelungen, einen kleinen Teil der Elektronen in eine zweite Stufe zu injizieren.

Im Jahr 2018 führte das Team von Zhang und Chen einen neuen Ansatz ein, den Chen beschreibt: „In unserem Schema bewegen sich die Elektronen immer innerhalb eines geraden Plasmakanals, wo sie durch das Laser-Wakefield fokussiert werden können.“ Der zweite frische Laser wird dann von einem gekrümmten Plasmakanal geleitet und in den geraden Kanal überführt, genau wie bei einer Autobahnauffahrt.“

Indem man den Elektronen erlaubt, entlang einer ununterbrochenen Stufe zu wandern, anstatt sie zu Beginn jeder neuen Stufe zu injizieren, würde dieser Ansatz es den Forschern ermöglichen, weitaus mehr Teilchen während der Beschleunigung zurückzuhalten.

Wackelndes Plasma

Auf den ersten Blick schien das Ziel der Mannschaft zu ehrgeizig zu sein. Wenn ein Strahl bei der Verschmelzung mit dem geraden Kanal auch nur geringfügig außermittig wäre, könnte dies dazu führen, dass das Plasma-Wakefield wackelt – wodurch die Elektronen von ihren geraden Bahnen abgelenkt werden und ihre Beschleunigung verringert wird.

Zhangs Team begegnete dieser Herausforderung, indem es die Krümmung des Kanals variierte, was zu Variationen in der Dichte des Plasmas im Inneren führte. Die Forscher fanden heraus, dass sie mit genau der richtigen Krümmung verhindern konnten, dass die Positionierung des Laserstrahls oszilliert – so dass das resultierende Wakefield stabil genug war, um die Teilchen auf höhere Geschwindigkeiten zu beschleunigen, wenn Elektronen in den geraden Teil des Kanals injiziert wurden.

Neuer Elektronenbeschleuniger kombiniert Laser- und Plasma-Wakefield-Techniken

Durch ihre neuesten Experimente entdeckten die Forscher einen weiteren Vorteil ihres Ansatzes. „Wir haben herausgefunden, dass der Laser in manchen Fällen nicht nur geführt werden kann, sondern auch ein Wakefield innerhalb des gekrümmten Kanals erzeugen und Elektronen beschleunigen kann“, erklärt Chen. „Normalerweise wurden diese nur in einem geraden Plasmakanal gefunden. Das bedeutet, dass sowohl Laser- als auch hochenergetische Elektronen in einem solchen gekrümmten Plasmakanal geführt werden können.“

Das Team ist davon überzeugt, dass die ersten Ergebnisse einen wichtigen Meilenstein darstellen. „Unser Experiment zeigt, wie relativistische Elektronen stabil durch einen gekrümmten Plasmakanal geführt werden können, was der entscheidende Schritt unseres abgestuften Wakefield-Beschleunigungsschemas ist“, sagt Chen. „In Zukunft könnten solche Kanäle zur Wakefield-Beschleunigung und Elektronenlenkung genutzt werden.“

Wenn sie mithilfe mehrerer gekrümmter Kanäle eine höhere Anzahl von Beschleunigungsstufen nachweisen können, hofft Zhangs Team, dass Teraelektronenvolt-Energien eines Tages für LWFAs in Reichweite sein könnten, und das bei nur einem Bruchteil der Größe und Kosten moderner Teilchenbeschleuniger. „Im Moment können wir sagen, dass unsere Studie einen entscheidenden Schritt für die stufenweise Laser-Wakefield-Beschleunigung löst und das Potenzial für eine kompakte Synchrotronstrahlungsquelle zeigt“, sagt Chen.

Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/new-particle-accelerator-is-driven-by-curved-laser-beams/