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09.08.2019
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Innovatives Konzept für bessere Plasmabeschleuniger

Zwei-Stufen-Beschleunigung soll die Strahlqualität deutlich erhöhen

DESY-Wissenschaftler haben ein neues Konzept für sogenannte Plasmabeschleuniger entwickelt, das die Qualität der beschleunigten Teilchenstrahlen deutlich verbessern kann und damit bestehende Hindernisse dieser experimentellen Technologie überwindet. Plasmabeschleuniger stehen aktuell hoch auf der Forschungsagenda, weil sie die Größe und die Kosten künftiger Beschleuniger-Anlagen deutlich verringern könnten. Für eine breite Anwendung muss die Technologie jedoch noch einige Herausforderungen meistern. Das im Fachblatt „Physical Review Letters“(PRL) veröffentlichte Konzept meistert eine dieser Hürden und könnte Anwendungen wie zum Beispiel kompakte Röntgenlaser ermöglichen, die statt mehreren Kilometern nur noch einige Dutzend Meter lang wären.

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Dreidimensionale Darstellung der Plasmawellen (blau), die vom Laserpuls (rot) erzeugt werden. Der beschleunigte Elektronenstrahl ist als kleiner blauer Punkt zwischen dem Laserpuls und der ersten Plasmawelle zu sehen. Bild: DESY/Universität Hamburg, Angel Ferran Pousa
Die Technologie nutzt hochintensive Laserpulse, die in einem feinen Plasmakanal extrem starke Wellen generieren, auf denen Elektronen reiten können wie ein Surfer auf einer Meereswelle. Die Beschleunigung ist dabei bis zu tausendfach höher als bei der herkömmlichen Technologie. Ein Problem in Verbindung mit dieser hohen Beschleunigung ist allerdings, dass die Elektronen abhängig von ihrer Position auf der Welle einen unterschiedlichen Energiegewinn erfahren. Dieses Verhalten führt dazu, dass die Energie der beschleunigten Elektronen nicht einheitlich ist, was sich nachteilig auf die Qualität des Strahls auswirkt und seine Anwendungsmöglichkeiten stark einschränkt. Je einheitlicher die Energie der Teilchen ist, desto besser ist die Qualität des Strahls für eine Vielzahl von Anwendungen. 

“Wir schlagen in unserem Konzept vor, den Beschleunigungsprozesses in zwei Plasmastufen auszuführen, die durch eine Anordnung von Magneten verbunden sind, eine sogenannte Schikane”, sagt Angel Ferran Pousa, Hauptautor der Veröffentlichung und Doktorand der Universität Hamburg bei DESY. "Diese Magnet-Schikane kehrt die Energieverteilung entlang des Strahls um, wodurch die breite Energieverteilung in der zweiten Stufe kompensiert wird. Das Ergebnis ist eine drastisch reduzierte Energieverteilung innerhalb des Strahls.“

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In dem vorgeschlagenen Konzept sind zwei Plasmabeschleunigungsstufen (blau) durch eine magnetische Schikane verbunden. Zwei aktive Plasmalinsen (rot) werden für den Strahltransport benutzt, und Plasmaspiegel dienen für das Ein- und Auskoppeln der Laserpulse. Der Pfad des Lasers ist rot dargestellt, der Elektronenstrahl weiß. Bild: DESY/Universität Hamburg, Angel Ferran Pousa
Ergebnisse aus numerischen Simulationen zeigen, dass Elektronenstrahlen mit dieser Methode eine mehr als zehnmal kleinere Energiestreuung aufweisen als bei normalen Plasmabeschleunigern. Der Fachaufsatz beschreibt eine erste konzeptionelle Implementierung des Systems für eine Designstudie des EU-Projekts EuPRAXIA im Rahmen des Horizon2020-Programms der Europäischen Union. Der simulierte Aufbau mit einer Länge von 1,5 Metern soll demnach bei einer Strahlenergie von 5,5 Giga-Elektronenvolt (GeV) eine Energiestreuung von nur noch 0,1 Prozent im gesamten Strahl erreichen, in einem kurzen Stück des Strahls sogar nur 0,03 Prozent.

“Dieses neue Konzept für einen Plasmabeschleuniger mit schmaler Energieverteilung sowie das vertiefte Verständnis der relevanten physikalischen Phänomene ist das Ergebnis mehrerer Jahre Arbeit eines Teams von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Es könnte ein bedeutsamer Schritt für den Bau eines Plasmabeschleuniger-basierten Freie-Elektronen-Lasers mit einer multi-GeV Strahlenergie sein, die Bestätigung des Konzepts erfordert allerdings noch experimentelle Tests, die teilweise im Rahmen des ATHENA-Projekts ausgeführt werden könnten“, kommentiert EuPRAXIA-Koordinator Ralph Aßmann, leitender Wissenschaftler bei DESY, in dessen Gruppe die Studie angefertigt wurde.

Die Arbeit wurde von der Europäischen Union (im Rahmen der Horizon2020 Design Study EuPRAXIA) und von der Helmholtz-Gemeinschaft (im Projekt IuVF ZT-0009) gefördert.

 

Originalveröffentlichung: Compact Multistage Plasma-Based Accelerator Design for Correlated Energy Spread Compensation, A. Ferran Pousa, A. Martinez de la Ossa, R. Brinkmann, and R. W. Assmann, „Physical Review Letters“, 2019; DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.054801