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19.08.2020
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Weltrekord: Plasmabeschleuniger läuft rund um die Uhr

Meilenstein auf dem Weg zu ersten Anwendungen der innovativen Teilchenbeschleunigertechnik

Auf dem Weg zu den Teilchenbeschleunigern der Zukunft hat ein Forscherteam bei DESY einen wichtigen Meilenstein erreicht: Erstmals weltweit ist ein sogenannter Plasmabeschleuniger länger als einen Tag gelaufen und hat dabei kontinuierlich Elektronenstrahlen geliefert. Die Anlage LUX, gemeinsam entwickelt und betrieben von DESY und der Universität Hamburg, erreichte eine Betriebsdauer von 30 Stunden. „Damit sind wir dem Regelbetrieb dieser innovativen Teilchenbeschleunigertechnik ein gutes Stück nähergekommen“, sagt Teamleiter Andreas R. Maier von DESY. Die Wissenschaftler berichten über ihren Rekord in Fachblatt „Physical Review X“. „Die Zeit ist reif, um die Laser-Plasmabeschleunigung aus dem Labor zur Anwendung zu führen“, ergänzt der Direktor des DESY-Beschleunigerbereichs, Wim Leemans.

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Bei der Laser-Plasmabeschleunigung erzeugt ein starker Laserpuls (rot) im Wasserstoffgas eine Plasmawelle (blau), indem er Gasmoleküle von ihren Elektronen trennt. Die Elektronen (rot) surfen auf der Welle wie ein Wakeboarder hinter dem Heck eines Boots und werden dabei extrem beschleunigt. Die Anlage LUX hat nun kontinuierlich in rund 30 Stunden mehr als 100 000 dieser Teilchenpakete geliefert. Bild: DESY, Science Communication Lab
Von der Technik der Plasmabeschleunigung versprechen sich Physiker eine neue Generation kompakter, 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 Gas bezeichnet, bei dem die Gasmoleküle von ihren Elektronen getrennt wurden. LUX verwendet Wasserstoffgas.

„Die Laserpulse pflügen als schmale Scheiben durch das Gas und entreißen den Wasserstoffmolekülen ihre Elektronen, die wie von einem Schneepflug zur Seite gefegt werden“, beschreibt Maier, der DESY-Gruppenleiter im Bereich Beschleuniger ist und am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) arbeitet, einer Gemeinschaftseinrichtung von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft. „Elektronen im Kielwasser des Blitzes werden von der elektrisch positiv geladenen Plasmawelle vor ihnen beschleunigt – ähnlich wie ein Wakeboard-Surfer in der Heckwelle eines Schiffs.“

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Detaillierte Simulation der Plasmawelle in der Anlage LUX. Bild: Universität Hamburg, Laurids Jeppe
Plasmabeschleuniger können auf diese Weise eine bis zu tausendfach höhere Beschleunigung erreichen als die stärksten Maschinen, die heute im Einsatz sind. Damit können kompaktere und stärkere Anlagen mit einem breiten Einsatzspektrum von der Grundlagenforschung bis zur Medizin möglich werden. Eine Reihe technischer Herausforderungen gibt es vor einer Anwendung noch zu meistern. „Auch diese Herausforderungen können wir dank des langen und stabilen Betriebs unserer Anlagen jetzt besser angehen“, erläutert Maier.

Die Physiker haben während ihres Rekordbetriebs mehr als 100 000 Elektronenpakete beschleunigt, jede Sekunde eines. Mit dieser großen Zahl lassen sich die Eigenschaften des Beschleunigers, des Lasers und der Teilchenpakete miteinander in Verbindung setzen und sehr viel genauer auswerten. „Unerwünschte Variationen im Elektronenstrahl lassen sich beispielsweise auf konkrete Punkte im Laserpuls zurückführen, so dass wir jetzt genau wissen, an welcher Stelle wir ansetzen müssen, um einen noch besseren Teilchenstrahl zu bekommen“, sagt Maier. „Dieser Ansatz legt die Grundlage für eine aktive Stabilisierung der Strahlen, so wie sie an allen modernen Beschleunigern weltweit eingesetzt wird“, erläutert Leemans.

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Die Plasmazelle von LUX (in der Mitte der weißen Montierung), in der die Elektronen beschleunigt werden, ist nur wenige Millimeter lang. Bild: Universität Hamburg, Niels Delbos
Grundlage für den Erfolg ist laut Maier die Verknüpfung von zwei Feldern: die Expertise in der Plasmabeschleunigung mit dem Know-how für einen stabilen Beschleunigerbetrieb. „Beides ist bei DESY in weltweit einzigartiger Weise vorhanden“, betont Maier. Zu dem stabilen Langzeitbetrieb haben demnach zahlreiche Faktoren beigetragen, von der Vakuumtechnik über Laserexpertise bis hin zu einem umfangreichen und ausgeklügelten Kontrollsystem. „Im Prinzip wäre unsere Anlage auch noch länger gelaufen, wir haben den Betrieb nach 30 Stunden abgebrochen“, berichtet Maier. „Und inzwischen haben wir das noch dreimal wiederholt.“

„Diese Arbeit zeigt, dass Laser-Plasmabeschleuniger eine reproduzierbare und kontrollierbare Leistung bieten können. Das liefert eine konkrete Grundlage für die Weiterentwicklung dieser Technologie zu künftigen beschleunigerbasierten Lichtquellen bei DESY und anderswo“, fasst Leemans zusammen.

An der Arbeit waren Forscher der Universität Hamburg, des europäischen ELI-Beamlines-Projekts, der Max Planck Research School for Ultrafast Imaging & Structural Dynamics (IMPRS-UFAST) und von DESY beteiligt.

 

Originalveröffentlichung:
„Decoding sources of energy variability in a laser-plasma accelerator“; Andreas R. Maier, Niels M. Delbos, Timo Eichner, Lars Hübner, Sören Jalas, Laurids Jeppe, Spencer W. Jolly, Manuel Kirchen, Vincent Leroux, Philipp Messner, Matthias Schnepp, Maximilian Trunk, Paul A. Walker, Christian Werle und Paul Winkler; „Physical Review X“, 2020; DOI: 10.1103/PhysRevX.10.031039