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10.08.2017
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Plasmabeschleuniger erzeugt erstes Röntgenlicht

Meilenstein für Forschungslichtquellen der nächsten Generation

Erstmals hat ein Plasmabeschleuniger bei DESY Röntgenlicht erzeugt. Die Anlage LUX unter Leitung von Dr. Andreas Maier von der Universität Hamburg lieferte ultrakurze Strahlungspulse mit einer Wellenlänge von neun Nanometern (millionstel Millimetern). Das entspricht sogenannter weicher Röntgenstrahlung. „Das ist ein wichtiger Meilenstein für die Entwicklung neuartiger beschleunigergetriebener Röntgenlichtquellen“, betont der Leiter der Beschleunigerphysik an der Universität Hamburg, Prof. Florian Grüner. LUX (lateinisch „Licht“) ist Teil der LAOLA-Kooperation zwischen DESY und Universität. „Ich freue mich sehr, dass bei den vor einigen Jahren neu aufgestellten Aktivitäten zur Beschleunigerforschung ein weiterer wichtiger Erfolg erzielt werden konnte“, sagt der Direktor des DESY-Beschleunigerbereichs, Dr. Reinhard Brinkmann. „Die Entwicklung der nächsten Generation von kompakten Beschleunigern ist ein essenzieller Pfeiler unserer Zukunftsstrategie am Forschungscampus.“

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Die Plasmazelle von LUX (Zentrum) erzeugt die schnellen Elektronen. Bild: Niels Delbos, Universität Hamburg
Von der Technik der Plasmabeschleunigung versprechen sich Physiker eine neue Generation leistungsfähiger Teilchenbeschleuniger mit einzigartigen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen. Bei dieser Methode erzeugt ein Laser oder ein energiereicher Teilchenstrahl eine Plasmawelle in einer feinen Kapillare. Als Plasma wird ein elektrisch geladenes Gas bezeichnet. Gegenwärtig befindet sich die Technik im experimentellen Stadium, bis zu einem Einsatz in der Praxis ist noch einige Entwicklungsarbeit nötig.

„LUX nutzt einen 200 Billionen Watt starken Laser, der ultrakurze Blitze in ein Wasserstoffgas schießt“, sagt Maier. „Im Kielwasser jedes Blitzes sammeln sich Elektronen die dann von der elektrisch positiv geladenen Plasmawelle vor ihnen beschleunigt werden – ähnlich wie ein Wakeboard-Surfer in der Heckwelle eines Schiffs.“

Auf diese Weise erreichen Elektronen in der nur wenige Millimeter langen Plasmazelle des LUX-Beschleunigers eine Energie von derzeit bis zu 600 Millionen Elektronenvolt (600 MeV), das ist mehr als im 70 Meter langen linearen Vorbeschleuniger LINAC II bei DESY.

Erstmals hat das Team um Maier, der die Anlage federführend entwickelt und aufgebaut hat, nun die schnellen Elektronen aus ihrer Plasmazelle dazu gebracht, Röntgenlicht zu erzeugen. Dazu schickten sie die kurzen Elektronenpakete auf eine 50 Zentimeter lange magnetische Slalomstrecke, in dem ein extrem starkes Magnetfeld alle 2,5 Millimeter seine Richtung ändert. Durch den Schlingerkurs in diesem sogenannten Undulator geben die Elektronen Energie in Form von Röntgenstrahlung ab.

Nach demselben Prinzip erzeugen auch große Röntgenlichtquellen bei DESY wie der Speicherring PETRA III oder der Europäische Röntgenlaser European XFEL ihre Strahlung. LUX hat nun das erste Röntgenlicht aus einem Plasmabeschleuniger auf dem DESY-Campus geliefert. „Auch weltweit hat das erst eine Handvoll Forschungsgruppen geschafft“, betont Maier. „Einen wesentlichen Anteil am Erfolg hat die großartige Unterstützung durch die beteiligten technischen Gruppen.“

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Der Undulator, die magnetische Slalomstrecke von LUX. Bild: Maximilian Trunk, Universität Hamburg
LUX erreicht zwar nicht dieselbe Helligkeit wie die großen Anlagen, kann der Forschung mit Röntgenlicht jedoch künftig einmal neue Anwendungen erschließen. „Zum einen erzeugen wir extrem kurze Röntgenblitze.“, sagt Maier. „Die Plasmawelle bei LUX ist nur 0,01 Millimeter kurz und somit können auch die Elektronenpakete nicht länger sein. Das führt zu Röntgenblitzen, die lediglich drei bis fünf Femtosekunden dauern.“ Eine Femtosekunde ist eine billiardstel Sekunde, also ein Millionstel einer milliardstel Sekunde. „Damit könnten die Blitze beispielsweise extrem schnelle Vorgänge in der Welt der Atome und Moleküle einfangen.“

Darüber hinaus sind durch das Funktionsprinzip der Anlage der Röntgenblitz und der optische Laserblitz, der die Plasmawelle erzeugt, extrem genau synchronisiert. In vielen Experimenten nutzen Forscher einen optischen Laserblitz, um eine Reaktion auszulösen, deren Verlauf sie dann mit möglichst exakt verzögerten Röntgenblitzen untersuchen. Bei LUX soll eine Synchronisierung zwischen Röntgen- und Laserblitz auf eine einzelne Femtosekunde genau erreicht werden, wie Maier berichtet.

Als nächstes wollen die Physiker ihren Plasmabeschleuniger und ihren Undulator weiter optimieren, um energiereichere Elektronen sowie helleres und kurzwelligeres Röntgenlicht zu erzeugen. Schließlich hoffen die Forscher, ihre Anlage so weit zu verbessern, dass sie einen selbstverstärkenden Laserprozess erreichen. Damit würde die Anlage zu einem kompakten Röntgenlaser. „Das ist unser klares Ziel, der Weg dahin ist aber noch anspruchsvoll“, betont Maier. „So ein Vorhaben kann nur durch die enge Zusammenarbeit der beiden Partner Universität und DESY gelingen.“

Im Rahmen der LAOLA-Kooperation von Universität Hamburg und DESY arbeiten verschiedene Gruppen beider Institutionen eng zusammen, um zukunftsweisende Beschleunigerkonzepte zu erforschen. Die Kooperation wurde bereits 2011 von Grüner und Brinkmann ins Leben gerufen. Ein weiterer wichtiger Kooperationspartner ist das ELI-Beamlines-Projekt in Prag (Tschechien), das das Vorhaben mit zusätzlichen Arbeitskräften und anderen Ressourcen unterstützt hat. „Im Team mit unseren deutschen Partnern werden wir eine direkte Linie verfolgen, um LUX zu einem kompakten, lasergetriebenen Freie-Elektronen-Laser auszubauen, was neue wissenschaftliche und technische Möglichkeiten eröffnen würde“, betont der wissenschaftliche ELI-Direktor Dr. Georg Korn.

Das Konzept der Plasmabeschleunigung wird bei DESY in verschiedenen Projekten mit unterschiedlichen Zielsetzungen erforscht.

 

LUX-Homepage: http://lux.cfel.de