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Ein wenige Millimeter langer Laserbeschleuniger

12.10.2013

Eine Gruppe von Forschern aus mehreren Forschungszentren in den Vereinigten Staaten hat einen Prototyp eines Laserbeschleunigers mit Rekordeffizienz entwickelt und im Labor hergestellt. Das nur wenige Millimeter große Gerät hat die Fähigkeit bewiesen, Teilchen mit einer Energie von bis zu 250 Megaelektronenvolt pro Meter zu versorgen, was mit herkömmlichen Beschleunigern im Prinzip unerreichbar ist.

Um Elektronen zu beschleunigen, nutzten Physiker das elektromagnetische Feld eines Laserstrahls senkrecht zum Beschleunigungsvektor. Unter normalen Bedingungen beschleunigt ein von elektromagnetischen Wellen erfasstes Teilchen zunächst in eine Richtung, wird dann langsamer und beginnt sich in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Um dies zu vermeiden, haben Physiker einen transparenten Kanal mit variablem Querschnitt geschaffen - aufgrund der Wechselwirkung des elektromagnetischen Felds mit Materie änderte sich die Amplitude der darin enthaltenen Wellen in Abhängigkeit von der Breite des Kanals, und in engen Abschnitten stellte sich das Feld heraus stärker sein als in breiten.

Durch die Anpassung der Länge der breiten und schmalen Abschnitte sowie der Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen stellten die Wissenschaftler sicher, dass das Elektron genau dann durch die schmalen Abschnitte des Kanals flog, wenn die Lichtwellen dort die Teilchen in die richtige Richtung beschleunigten. Als die Welle die entgegengesetzte Phase erreichte und begann, die Teilchen abzubremsen, hatte das Elektron Zeit, zu einem breiten Fragment mit einer kleineren Feldamplitude zu gelangen, und wurde daher weniger abgebremst als beschleunigt.

In konventionellen Beschleunigern werden zur Beschleunigung geladener Teilchen meist elektromagnetische Wellen im Mikrowellenbereich eingesetzt, die prinzipiell keinen Energiegewinn von mehr als einigen zehn Megaelektronenvolt pro Meter liefern können. Die Lasertechnologie sorgt für eine um Größenordnungen höhere Effizienz, die laut Physikern der Stanford National Accelerator Laboratories zu einer Revolution nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in der Technologie führen kann. Einer der Entwickler, Joel England, vergleicht den Übergang von konventionellen Beschleunigern mit dem Laser-Übergang von Radioröhren zu Transistoren. Ein solcher Vergleich sei vor allem deshalb gerechtfertigt, weil die Forscher dieselben Technologien verwendet hätten, die auch bei der Herstellung von Mikroschaltkreisen zum Einsatz kämen, um Beschleunigungskanäle in einem transparenten Chip herzustellen.

Kompakte Beschleuniger mit Elektronenenergien von zehn oder hundert Megaelektronenvolt können verwendet werden, um Röntgenstrahlen mit hoher Energie und in Form eines hochfokussierten kohärenten Strahls zu erzeugen. Solche Strahlung wird heute aktiv in den Materialwissenschaften und der Biologie (zur Bestimmung der Kristallstruktur von Proteinen sowie zur Beleuchtung versteinerter Fossilien) eingesetzt. Röntgenlaser für diese Aufgaben belegen jedoch oft ganze unterirdische Komplexe mit mehreren Kilometer langen und teuren Tunneln Hunderte von Millionen Dollar. Strahlen mit geringerer Leistung und geringerer Teilchenenergie werden in der Medizin zur Bestrahlung von bösartigen Neubildungen eingesetzt.

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Neueste Nachrichten aus Wissenschaft und Technik, neue Elektronik:

Maschine zum Ausdünnen von Blumen im Garten 02.05.2024

In der modernen Landwirtschaft entwickelt sich der technologische Fortschritt mit dem Ziel, die Effizienz der Pflanzenpflegeprozesse zu steigern. In Italien wurde die innovative Blumenausdünnungsmaschine Florix vorgestellt, die die Erntephase optimieren soll. Dieses Gerät ist mit beweglichen Armen ausgestattet, wodurch es leicht an die Bedürfnisse des Gartens angepasst werden kann. Der Bediener kann die Geschwindigkeit der dünnen Drähte anpassen, indem er sie von der Traktorkabine aus mit einem Joystick steuert. Dieser Ansatz erhöht die Effizienz des Blütenausdünnungsprozesses erheblich und bietet die Möglichkeit einer individuellen Anpassung an die spezifischen Bedingungen des Gartens sowie die Vielfalt und Art der darin angebauten Früchte. Nachdem wir die Florix-Maschine zwei Jahre lang an verschiedenen Obstsorten getestet hatten, waren die Ergebnisse sehr ermutigend. Landwirte wie Filiberto Montanari, der seit mehreren Jahren eine Florix-Maschine verwendet, haben von einer erheblichen Reduzierung des Zeit- und Arbeitsaufwands für das Ausdünnen von Blumen berichtet. ... >>

Fortschrittliches Infrarot-Mikroskop 02.05.2024

Mikroskope spielen eine wichtige Rolle in der wissenschaftlichen Forschung und ermöglichen es Wissenschaftlern, in für das Auge unsichtbare Strukturen und Prozesse einzutauchen. Allerdings haben verschiedene Mikroskopiemethoden ihre Grenzen, darunter auch die begrenzte Auflösung bei der Nutzung des Infrarotbereichs. Doch die neuesten Errungenschaften japanischer Forscher der Universität Tokio eröffnen neue Perspektiven für die Erforschung der Mikrowelt. Wissenschaftler der Universität Tokio haben ein neues Mikroskop vorgestellt, das die Möglichkeiten der Infrarotmikroskopie revolutionieren wird. Dieses fortschrittliche Instrument ermöglicht es Ihnen, die inneren Strukturen lebender Bakterien mit erstaunlicher Klarheit im Nanometerbereich zu sehen. Typischerweise sind Mikroskope im mittleren Infrarotbereich durch eine geringe Auflösung eingeschränkt, aber die neueste Entwicklung japanischer Forscher überwindet diese Einschränkungen. Laut Wissenschaftlern ermöglicht das entwickelte Mikroskop die Erstellung von Bildern mit einer Auflösung von bis zu 120 Nanometern, was 30-mal höher ist als die Auflösung herkömmlicher Mikroskope. ... >>

Luftfalle für Insekten 01.05.2024

Die Landwirtschaft ist einer der Schlüsselsektoren der Wirtschaft und die Schädlingsbekämpfung ist ein integraler Bestandteil dieses Prozesses. Ein Team von Wissenschaftlern des Indian Council of Agricultural Research-Central Potato Research Institute (ICAR-CPRI), Shimla, hat eine innovative Lösung für dieses Problem gefunden – eine windbetriebene Insektenluftfalle. Dieses Gerät behebt die Mängel herkömmlicher Schädlingsbekämpfungsmethoden, indem es Echtzeitdaten zur Insektenpopulation liefert. Die Falle wird vollständig mit Windenergie betrieben und ist somit eine umweltfreundliche Lösung, die keinen Strom benötigt. Sein einzigartiges Design ermöglicht die Überwachung sowohl schädlicher als auch nützlicher Insekten und bietet so einen vollständigen Überblick über die Population in jedem landwirtschaftlichen Gebiet. „Durch die rechtzeitige Beurteilung der Zielschädlinge können wir die notwendigen Maßnahmen zur Bekämpfung von Schädlingen und Krankheiten ergreifen“, sagt Kapil ... >>

Die Bedrohung des Erdmagnetfeldes durch Weltraummüll 01.05.2024

Immer häufiger hören wir von einer Zunahme der Menge an Weltraummüll, der unseren Planeten umgibt. Zu diesem Problem tragen jedoch nicht nur aktive Satelliten und Raumfahrzeuge bei, sondern auch Trümmer alter Missionen. Die wachsende Zahl von Satelliten, die von Unternehmen wie SpaceX gestartet werden, schafft nicht nur Chancen für die Entwicklung des Internets, sondern auch ernsthafte Bedrohungen für die Weltraumsicherheit. Experten richten ihre Aufmerksamkeit nun auf die möglichen Auswirkungen auf das Erdmagnetfeld. Dr. Jonathan McDowell vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics betont, dass Unternehmen rasch Satellitenkonstellationen aufbauen und die Zahl der Satelliten im nächsten Jahrzehnt auf 100 ansteigen könnte. Die schnelle Entwicklung dieser kosmischen Satellitenarmadas kann zu einer Kontamination der Plasmaumgebung der Erde mit gefährlichen Trümmern und einer Gefahr für die Stabilität der Magnetosphäre führen. Metallabfälle von gebrauchten Raketen können die Ionosphäre und Magnetosphäre stören. Beide Systeme spielen eine Schlüsselrolle beim Schutz und der Erhaltung der Atmosphäre ... >>

Verfestigung von Schüttgütern 30.04.2024

In der Welt der Wissenschaft gibt es viele Geheimnisse, und eines davon ist das seltsame Verhalten von Schüttgütern. Sie verhalten sich möglicherweise wie ein Feststoff, verwandeln sich aber plötzlich in eine fließende Flüssigkeit. Dieses Phänomen hat die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich gezogen, und wir könnten der Lösung dieses Rätsels endlich näher kommen. Stellen Sie sich Sand in einer Sanduhr vor. Normalerweise fließt es frei, aber in manchen Fällen bleiben seine Partikel stecken und verwandeln sich von einer Flüssigkeit in einen Feststoff. Dieser Übergang hat wichtige Auswirkungen auf viele Bereiche, von der Arzneimittelproduktion bis zum Bauwesen. Forscher aus den USA haben versucht, dieses Phänomen zu beschreiben und seinem Verständnis näher zu kommen. In der Studie führten die Wissenschaftler Simulationen im Labor mit Daten aus Beuteln mit Polystyrolkügelchen durch. Sie fanden heraus, dass die Schwingungen innerhalb dieser Sätze bestimmte Frequenzen hatten, was bedeutete, dass sich nur bestimmte Arten von Schwingungen durch das Material ausbreiten konnten. Erhalten ... >>

Zufällige Neuigkeiten aus dem Archiv

Zeolith in Aluminium 07.10.2015

Der Abschluss der Partikel des Katalysators oder Sorptionsmittels in einer Metallhülle erleichtert den Ablauf des chemischen Prozesses.

Pulver werden in vielen chemischen Prozessen verwendet. Dies können Katalysatoren, Sorbentien und vieles mehr sein. Beim Einsatz beispielsweise in Reaktoren mit Katalysatorfestbett tritt ein Problem auf: Bereits ein kleiner Spalt zwischen den Partikeln reduziert die Wärmeleitfähigkeit stark, was die Schaffung aufwendiger Wärmetauscher erfordert.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme um Jörg Adler beschlossen, die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen und schlossen die Partikel (in diesem Fall die poröse Substanz des Zeoliths) in eine Aluminiumhülle ein: Sie gossen sie in ein langes Rohr , komprimiert und das so entstandene Werkstück anschließend in wenige Millimeter lange Stücke geschnitten. Die Schalendicke betrug 250 Mikrometer.

Laborexperimente haben gezeigt, dass sich mit einem solchen Gerät die Wärmeübertragungsrate um das Fünffache erhöht! Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass metallisch abgeschirmte Partikel viel einfacher in den Reaktor geladen werden können und weniger durch Stöße während des Betriebs verschleißen.

Adlers Gruppe experimentiert weiter, um alle Vorteile der neuen Technologie herauszufinden und sie den Industriellen zu demonstrieren. Sie geben zwar nicht an, wie ein solcher Katalysator oder Sorptionsmittel funktionieren soll, denn wenn seine Partikel in einer Hülle eingeschlossen sind, dann hat sich die an der chemischen Reaktion beteiligte Oberfläche offensichtlich verringert. Offenbar muss ein Kompromiss zwischen Wärmeleitfähigkeit und Reaktivität gefunden werden.

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