28.06.2012

Neues Virtuelles Institut zur Plasmabeschleunigung

Die Helmholtz-Gemeinschaft fördert ein virtuelles Institut bei DESY, das eine neuartige Beschleunigertechnologie voranbringen soll. Die Plasma-Wakefield-Beschleunigung verspricht, Teilchen auf sehr kurzen Strecken höchste Energien zu übermitteln und ist damit eine vielversprechende Technik für zukünftige Beschleunigeranwendungen. Das neu gegründete virtuelle Institut „Plasma wakefield acceleration of highly relativistic electrons with FLASH“ soll die Grundlagen dafür erforschen, ob und wie man die hohen elektrischen Felder, die in einem Plasma entstehen, nutzen kann, um hochenergetische Elektronen zuverlässig zu beschleunigen. Das Institut wird für fünf Jahre von der Helmholtz-Gemeinschaft gefördert.

Simulation eines Elektronenpakets in einer lasergetriebenen Plasmawelle.

Ein Plasma ist ein besonders angeregter Zustand von ionisierter Materie, in dem sich Elektronen frei zwischen Atomkernen bewegen können. Es wird beispielsweise durch einen intensiven Laser- oder durch einen Teilchenstrahl in einem Gas erzeugt. Erste Experimente, diese Felder für eine sehr effektive Teilchenbeschleunigung zu verwenden, waren andernorts bereits vielversprechend. Eine der großen Herausforderungen hierfür ist, ein Teilchenpaket genau in dem Augenblick in das Plasma einzuschießen, in dem es auch beschleunigt wird, ein Experiment, was bisher noch nicht durchgeführt wurde. Genau dieses Thema ist einer der Schwerpunkte des neuen virtuellen Instituts, in dem neben DESY die Uni Hamburg, das Max-Planck-Institut in München, das John-Adams-Institut (Großbritannien) sowie die Beschleunigerzentren SLAC, LBNL (USA) und CERN, involviert sind. Die Forscher wollen den Elektronenstrahl aus dem FLASH II-Beschleuniger durch eine Plasmazelle lenken und durch das Plasma beschleunigen lassen. Dabei wird in einer der geplanten Experimentieranordnungen das Plasma durch das Teilchenpaket selbst erzeugt, in einem anderen Ansatz wird das Plasma durch einen hochintensiven Laser hergestellt.

„Mit FLASH haben wir die ideale Anlage, um diese Forschung einen großen Schritt voranzubringen“, sagt Prof. Brian Foster, Alexander-von-Humboldt-Professor bei der Uni Hamburg und DESY und Sprecher des Virtuellen Instituts. „Die hochenergetischen Elektronen aus FLASH II sind in Raum und Zeit sehr gut gebündelt und eignen sich damit hervorragend, das Plasma zu charakterisieren. Letztlich wollen wir nicht nur einige Elektronen, sondern das ganze Bündel zuverlässig beschleunigen. Dafür müssen wir allerdings noch viel Aufwand in unsere Strahldiagnose stecken – bei der Synchronisierung von Plasma und Elektronenstrahlprofil kommt es auf Femtosekunden an.“

Die Expertise für solche Experimente, die sich auch schon durch die Helmholtz-Allianz „Physik an der Teraskala“ und das Portfoliothema „Accelerator Research and Development“ (ARD) formiert hatte, tut sich jetzt in dem neuen virtuellen Institut zusammen. Außer den Messreihen an FLASH II, die parallel zum normalen Nutzerbetrieb ablaufen sollen, planen die Plasma-Beschleuniger-Forscher auch Experimente an REGAE (Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration) in Hamburg und an PITZ (Photo Injector Teststand in Zeuthen) in Zeuthen.