Ein zukunftsweisendes Beschleunigerprojekt hat bei DESY seinen ersten Elektronenstrahl erzeugt. Die experimentelle Anlage namens LUX ist eine Kooperation mit der Universität Hamburg und beruht auf der vielversprechenden Technik der Plasma-Beschleunigung, die einmal kleinere und stärkere Teilchenbeschleuniger ermöglichen soll. In einem ersten Testbetrieb konnte LUX mit Hilfe einer wenigen Millimeter langen Plasmazelle Elektronen auf etwa 400 Mega-Elektronenvolt beschleunigen. Das entspricht fast der Energie des 70 Meter langen linearen Vorbeschleunigers LINAC II bei DESY.

„Das Ergebnis ist ein erster wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Entwicklung kompakter Laser-Plasma-basierter Beschleunigeranlagen in Hamburg“, betont DESYs Beschleuniger-Direktor Dr. Reinhard Brinkmann. Bis zu einer Anwendung muss die Technik allerdings noch zahlreiche Hürden nehmen. Die LUX-Beschleunigeranlage wurde von der Nachwuchsgruppe von Dr. Andreas R. Maier entwickelt und aufgebaut. Diese Nachwuchsgruppe ist Teil der von Prof. Florian Grüner geleiteten Beschleunigerphysik der Universität Hamburg am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL). Das CFEL ist eine Kooperation von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

Bei der Plasma-Beschleunigung wird in einer dünnen Kapillare eine Welle aus elektrisch geladenem Gas erzeugt, ein sogenanntes Plasma. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten, die in verschiedenen Projekten auf dem DESY-Campus in Hamburg erprobt werden. „LUX nutzt einen 200 Terawatt starken Laser, der ultrakurze Laserblitze in das Wasserstoffgas schießt“, sagt Maier von der Universität Hamburg. Jeder einzelne Blitz dauert nur 30 billiardstel Sekunden (30 Femtosekunden) und pflügt als schmale Scheibe durch das Gas: Die Lichtpulse sind lediglich 0,01 Millimeter lang und 0,035 Millimeter hoch. „Sie entreißen den Wasserstoffmolekülen ihre Elektronen, die wie von einem Schneepflug zur Seite gefegt werden“, erläutert der Physiker. „Im Kielwasser des Blitzes sammeln sich die Elektronen und werden von der elektrisch positiv geladenen Plasmawelle vor ihnen beschleunigt – ähnlich wie ein Wakeboard-Surfer in der Heckwelle eines Schiffs.“ Der Speziallaser im ANGUS-Laserlabor erlaubt dabei eine besonders hohe Pulsfolge von fünf Blitzen pro Sekunde.

Mit Hilfe dieser Technik wollen die Physiker um Maier eine Beschleunigung auf bis zu 1000 Mega-Elektronenvolt erreichen. „Die Technologie befindet sich noch in einer sehr frühen Entwicklungsphase, verspricht aber aufgrund der – gegenüber etablierten Techniken – bis zu 1000-fach stärkeren Beschleunigung wesentlich kompaktere Beschleunigeranlagen für zukünftige Anwendungen in der Grundlagenforschung und Medizin“, sagt Maier. „Nur in Zusammenarbeit mit den Beschleunigerexperten bei DESY können wir allerdings die Technik so optimieren, dass sie einmal praktisch nutzbar wird.“

LUX wird im Rahmen der LAOLA-Kooperation von Universität Hamburg und DESY betrieben, in der verschiedene Gruppen beider Institutionen eng zusammenarbeiten, um zukunftsweisende Beschleunigerkonzepte zu erforschen. Ein weiterer wichtiger Kooperationspartner ist das ELI Beamlines Projekt in Prag (Tschechien). In den nächsten Monaten werden die Beschleunigerphysiker den noch „unordentlichen“ Elektronenstrahl von LUX weiter untersuchen und optimieren.  Dazu soll die Anlage um zusätzliche Messgeräte zur sogenannten Strahldiagnostik erweitert werden. Zudem planen die Forscher den Einbau einer kurzen magnetischen Slalomstrecke, eines sogenannten Undulators, um mit Hilfe der schnellen Elektronen zu testen, ob sich der Plasma-Beschleuniger zur Erzeugung von Röntgenlicht eignet.
 
LUX-Homepage: lux.cfel.de