Optimale Bedingungen für den effizientesten Betrieb von Laser-Plasma-Beschleunigern 17.09.2017

Herkömmliche Elektronenbeschleuniger sind längst zu einem der Haupttypen wissenschaftlicher Instrumente geworden, extrem intensive und kurze Strahlungspulse, die von Synchrotrons und Freie-Elektronen-Lasern erzeugt werden, ermöglichen es Wissenschaftlern, Materie und Prozesse zu untersuchen, die auf atomarer Ebene ablaufen. Aber selbst die kleinsten Elektronenbeschleuniger nehmen mittlerweile eine Fläche ein, die mit der Fläche eines Fußballfeldes vergleichbar ist.

Eine Alternative zu herkömmlichen Elektronenbeschleunigungstechnologien ist das Laser-Plasma-Beschleunigungsverfahren, das es bei einer geringen Größe des Beschleunigers ermöglicht, einen Strahl beschleunigter Elektronen mit hoher Intensität zu erhalten. Beschleuniger dieser Art haben jedoch einen Nachteil: Mit ihrer Hilfe ist es sehr schwierig, einen stabilen Elektronenstrahl mit stabiler Helligkeit zu erhalten. Und dieses Problem wurde von Physikern des Forschungszentrums HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf), Deutschland, gelöst, denen es gelang, eine Reihe von Parametern zu bestimmen, um optimale Betriebsbedingungen für einen Laser-Plasma-Elektronenbeschleuniger zu schaffen.

Das der Technologie der Laser-Plasma-Beschleunigung zugrunde liegende Prinzip ist ganz einfach: Ein starker Laserstrahl wird in einem Gasmedium fokussiert, das sich unter seinem Einfluss in ein Plasma verwandelt, in einen ionisierten Materiezustand. Die Energie des Laserstrahls bewirkt, dass die Elektronen ihre „nativen“ Atome verlassen, was eine Art „Blase“ eines starken elektrischen Feldes im Volumen des Plasmas erzeugt. Dieser Bereich des elektrischen Feldes, der dem Laserlichtimpuls folgt, ist eine Welle, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Und auch die auf dem Kamm dieser Welle eingefangenen Elektronen werden fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Werden diese Elektronen einem zusätzlichen Laserlichtpuls ausgesetzt, entstehen helle und ultrakurze Röntgenpulse, mit deren Hilfe Wissenschaftler die untersuchten Proben verschiedener Materialien „durchschauen“.

Die Stärke der sekundären Röntgenstrahlung hängt direkt von der Anzahl der an diesem Prozess beteiligten hochenergetischen Elektronen ab. Wenn jedoch eine große Anzahl von Elektronen beschleunigt wird, zerfällt die Plasmawelle aufgrund des Einflusses von Effekten, die mit diesen Elektronen und ihrem elektrischen Feld verbunden sind, was außerdem die Form des Strahls nachteilig beeinflusst. Die verzerrte Form des Strahls und die Instabilität der Plasmawelle führen dazu, dass der Strahl Elektronen mit unterschiedlichen Energieniveaus und anderen Parametern enthält.

„Um aber einen Elektronenstrahl für hochpräzise Experimente nutzen zu können, braucht es einen stabilen Strahl, der aus Elektronen mit gleichen Parametern besteht“, sagt der Physiker Jurjen Pieter Couperus, „Alle Elektronen im Strahl müssen im richtigen Strahl sein Ort zur rechten Zeit."

Wissenschaftler des HZDR führten eine Reihe von Arbeiten durch, um die Qualität des von Laser-Plasma-Beschleunigern erzeugten Elektronenstrahls zu verbessern. Sie fanden heraus, dass die Zugabe einer kleinen Menge Stickstoff zu Helium, das zur Erzeugung von Plasma verwendet wird, die Situation erheblich verbesserte. „Wir können die Anzahl der Elektronen, die auf der Plasmawelle reiten, steuern, indem wir die Stickstoffkonzentration verändern“, erklärt Jurien Peter Kuperus, „In unseren Experimenten haben wir festgestellt, dass der Idealfall ist, wenn die Plasmawelle Elektronen mit einer Gesamtladung von genau 300 trägt Picocoulomb. Selbst die kleinste Abweichung von diesem Wert in irgendeiner Richtung führt zu einer Energiedissipation, die die Qualität des erzeugten Strahls verringert.“

Die durchgeführten Berechnungen haben gezeigt, dass es für eine qualitativ hochwertige Erzeugung immer noch erforderlich ist, dass der Spitzenstrom der Elektronenbewegung auf dem Plasmawellenberg mindestens 50 Kiloampere beträgt.

„Mit den ultrakurzen Pulsen des Petawatt-Lasers von DRACO werden wir in der Lage sein, einen qualitativ hochwertigen Elektronenstrahl mit einem Spitzenstrom von 150 Kiloampere zu erzeugen“, sagt Jurien Peter Kuperus, „dies wird die Fähigkeiten aller modernen Großelektronenbeschleuniger übersteigen um bis zu zwei Größenordnungen. Und dies wird es uns ermöglichen, sehr kompakte Röntgenquellen der nächsten Generation zu schaffen".