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26.06.2018
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FLASHForward macht Wellen

Elektronenstrahl erzeugt zum ersten Mal ein starkes Wakefield im Plasma bei DESY

Ein wichtiger Meilenstein beim Plasma-Beschleunigerprojekt FLASHForward: in der Nacht auf den 19. Juni hat das Team um DESY-Physiker Jens Osterhoff zum ersten Mal mit einem Elektronenstrahl aus DESYs FLASH-Beschleuniger ein Wakefield – eine Art Bugwelle – in einem Plasma mit einer Feldstärke von mehr als 12 Gigavolt pro Meter erzeugt. Damit zeigt das Team, dass es möglich ist, mit FLASH starke Beschleunigungsfeldstärken in Plasmawellen zu treiben, die die Feldstärken in klassischen metallischen Beschleunigerstrukturen um mehr als das Hundertfache übertreffen. Das Ziel ist, mit dem strahlgenerierten Wakefield auch Teilchen zu beschleunigen – der jetzt erreichte Meilenstein war ein kritischer Schritt auf dem Weg dorthin. 

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Blick in die drei Zentimeter lange FLASHForward-Plasmazelle. Bild: DESY
„Wir sind alle ganz happy, dass es gleich am ersten Tag geklappt hat“, sagt Osterhoff. „Wir haben den Strahl schneller als erwartet so eingestellt bekommen, dass wir eine klare Signatur für ein Wakefield in der drei Zentimeter langen Plasmazelle gesehen haben“, erklärt Osterhoff. Das durch eine Hochspannungsentladung generierte Plasma hatte eine Lebensdauer von ungefähr 10 Mikrosekunden (millionstel Sekunden). Ein Plasma ist eine Art elektrisch leitfähiges Gas.

FLASHForward ist ein Projekt für die Zukunft. Statt immer größere Teilchenbeschleuniger zu bauen, um die für die Forschung benötigten hohen Energien erzeugen, setzen Plasmawellen-Experimente auf eine neue Art der Beschleunigung, bei der die besonderen Eigenschaften des Plasmas genutzt werden.

Die obere Abbildung zeigt das Energiespektrum des FLASH Elektronenstrahls ohne Plasmainteraktion, die untere Darstellung nach Wechselwirkung in der Plasmazelle.
Bei FLASHForward fliegt ein Elektronenstrahl aus FLASH in eine mit Plasma gefüllte Zelle und produziert eine Ladungsdichtewelle. In diesem „Kielwasser“ soll später ein zweiter, zu beschleunigender Teilchenstrahl schwimmen. Dort können elektrische Feldstärken entstehen, die tausendfach höher sind als die in konventionellen Teilchenbeschleunigern, was die Beschleunigung sehr effizient und die Beschleuniger sehr kompakt macht. In verschiedenen Projekten auf der Welt versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu überprüfen, ob das Konzept tatsächlich funktioniert.  

Es ist das erste Mal in Europa und das zweite Mal überhaupt, dass ein Elektronenstrahl mit einer Energie von mehr als einem Giga-Elektronenvolt ein Wakefield erzeugt hat. Die Weltpremiere hatte beim FACET-Experiment am US-Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien stattgefunden. Ab Juli sollen bei DESY die ersten Experimente bei FLASHForward mit einem zu beschleunigenden Teststrahl beginnen.