Bei DESY ist eine Premiere geglückt: Am FLASHForward-Experiment konnte ein Forschungsteam zeigen, dass ein Verfahren namens Plasmabeschleunigung winzige Elektronenpakete auf höhere Energien bringen kann, ohne dass diese an Qualität verlieren. Konkret gelang es der Arbeitsgruppe, die Emittanz – eine zentrale Qualitätsgröße – während des Beschleunigungsprozesses zu erhalten. Das Team hat sein Ergebnis kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Es dürfte die weitere Entwicklung der noch jungen Beschleunigertechnologie beflügeln.

Plasmabeschleuniger gelten als vielversprechende Zukunftstechnologie: Sie können Pakete aus Elektronen überaus platzsparend beschleunigen, indem sie elektrische Felder erzeugen, die bis zu drei Größenordnungen stärker sind als bei konventionellen Beschleunigern, die mit Radiowellen funktionieren. Die Forschungsgruppe bei DESY nutzt dafür folgende Variante: Mit FLASH, einem Linearbeschleuniger auf dem DESY-Campus, bringen die Fachleute winzige

Elektronenpakete nahezu auf Lichtgeschwindigkeit. Ein solches Teilchenpaket, das „Treiberbündel“, lassen sie dann auf einen 1,5 Millimeter schmalen und fünf Zentimeter langen Kanal treffen. Er enthält ein Plasma, ein per Hochspannung ionisiertes Gas. Der Teilchenpulk rast in den Kanal und schiebt die Elektronen im Plasma zur Seite. Hinter ihm, quasi in seiner Kielwelle, befinden sich keine Elektronen mehr, nur noch positiv geladenen Ionen. Dadurch baut sich ein starkes elektrisches Wechselfeld auf – eine Plasmawelle.

Trifft gleich darauf ein zweites Elektronenpaket aus FLASH auf diese Welle, kann es Energie aus ihren starken elektrischen Feldern ziehen. Dadurch wird es auf kürzester Distanz weiter beschleunigt. Das Konzept basiert also auf zwei dicht aufeinanderfolgenden Elektronenpaketen: Erst kommt das Treiberpaket, es deponiert Energie im Plasma. Dann folgt das zu beschleunigende Elektronenbündel, es zapft das Plasma an und gewinnt an Energie.

Bislang weist das Verfahren einen Nachteil auf: Nach der Beschleunigung in der Plasmazelle verlieren die Elektronenbündel an Emittanz. Dieser Fachbegriff ist ein Maß für die Qualität des Strahls. Er beschreibt, wie eng die Teilchen beieinanderliegen und wie parallel ihre Bahnen verlaufen. Der Unterschied zwischen Teilchenpaketen mit hoher und niedriger Emittanz ist vergleichbar mit dem Unterschied zwischen einer Glühbirne und einem Laserstrahl. Das Licht einer Glühbirne breitet sich in viele Richtungen aus und kann nicht auf einen kleinen Fleck fokussiert werden. Laserlicht dagegen bleibt selbst über große Entfernungen gebündelt und lässt sich bis auf den Mikrometerbereich fokussieren. Ähnlich wie ein Laserstrahl behalten Teilchenpakete mit geringer Emittanz auch über große Entfernungen annähernd ihre Größe bei – eine Grundvoraussetzung, um in einem Freie-Elektronen-Laser wie dem European XFEL ultrastarke Röntgenblitze zu erzeugen.

Dass sich mit einem Plasmabeschleuniger ähnlich gute Emittanz-Werte erreichen lassen wie mit konventionellen Anlagen, konnte nun das Team unter der Leitung von Carl Lindstrøm nun an FLASHForward-Experiment nachweisen. Zum einen erforderte das eine genaue Kontrolle der Elektronenpakete und der Plasmaeigenschaften aus dem FLASH-Linearbeschleuniger. Zum anderen variierte die Arbeitsgruppe die Größe und die Ausrichtung des zu beschleunigenden Elektronenpaktes im Plasma – und konnte dadurch dessen Emittanz so weit optimieren, dass sie im Vergleich zu dem ursprünglichen, auf die Plasmazelle treffenden Elektronenpaket erhalten blieb.

Die neue Methode kann als Grundlage dienen, um Plasmabeschleuniger zu realisieren, die Teilchenpakete stark beschleunigen und zugleich deren Strahlqualität bewahren. Beispielsweise sollte es Simulationen zufolge möglich sein, die Elektronenenergie mit einem 500 Millimeter langen Plasma von 1,05 auf 1,84 GeV zu steigern und gleichzeitig die Emittanz beibehalten.

„Da der entscheidende Parameter der Emittanz erhalten bleibt, könnten Plasmabeschleuniger zum Beispiel als eine Art Energiebooster in Freie-Elektronen-Lasern eingesetzt werden, um die Teilchenenergie in einer sehr kompakten Stufe hinter dem Hauptbeschleuniger zu erhöhen und so die Röntgenenergie zu steigern“, sagt Jonathan Wood, Leiter des FLASHForward-Forschungsteams.

„Dieses Ergebnis ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zum Bau eines Plasmabeschleunigers, der ähnliche Ergebnisse wie ein herkömmlicher Beschleuniger erzielt“, betont Wim Leemans, Direktor des DESY-Beschleunigerbereichs. „Mit unserer Arbeit treiben wir dieses spannende Thema weiter voran, um die neue Technologie für ein deutlich breiteres Spektrum von Anwendungen öffnen zu können.“

Originalveröffentlichung

Emittance preservation in a plasma-wakefield accelerator, C. A. Lindstrøm, J. Beinortaitė, J. Björklund Svensson, L. Boulton, J. Chappell, S. Diederichs, B. Foster, J. M. Garland, P. González Caminal, G. Loisch, F. Peña, S. Schröder, M. Thévenet, S. Wesch, M. Wing, J. C. Wood, R. D’Arcy & J. Osterhoff, "Nature Communications" 15, 6097 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50320-1