Wenn es darum geht, bahnbrechende Entdeckungen in der Teilchenphysik zu machen, verlassen sich Wissenschaftler auf große Teilchenbeschleuniger, um fortgeschrittene Experimente durchzuführen. Diese leistungsstarken Maschinen verwenden lange Strecken und Magnete, um Partikel auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen.
Allerdings sind solche Beschleuniger massiv und beträchtlich teuer. Um diese Einschränkungen zu überwinden, arbeiten Wissenschaftler an der Laser-Plasma-Beschleunigung, einer aufregenden Technologie, die die Entwicklung von kleineren, kostengünstigeren und zugänglicheren Beschleunigern ermöglichen kann.
Ein Laser-Plasma-Beschleuniger ist nur wenige Zentimeter groß, kann jedoch Partikel auf sehr hohe Geschwindigkeiten und Energien beschleunigen, die für wissenschaftliche Experimente benötigt werden. In der Theorie verwendet er intensive Laserimpulse und Plasmawellen anstelle herkömmlicher Magnete.
Ein Forscherteam des deutschen Forschungszentrums Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) hat nun bedeutende Fortschritte bei der Realisierung der Laser-Plasma-Beschleunigungstechnologie erzielt. In ihrer neuesten Studie schlagen die Wissenschaftler eine neue Methode vor, um die Qualität der von Laser-Plasma-Beschleunigern erzeugten Elektronenstrahlen zu verbessern.
„Mit einem cleveren Korrektursystem konnte ein Forschungsteam die Qualität der von einem Laser-Plasma-Beschleuniger beschleunigten Elektronenbündel erheblich verbessern. Dies bringt die Technologie einen Schritt näher an konkrete Anwendungen, wie etwa einen plasma-basierten Injektor für einen Synchrotron-Speicherring“, bemerken die Autoren der Studie.
Ein zweistufiger Korrekturansatz
Derzeit gibt es zwei Hauptprobleme mit der Laser-Plasma-Beschleunigungstechnologie: die Strahlgleichmäßigkeit und die Energieverteilung.
Diese Probleme entstehen, weil nicht alle Elektronenbündel (Gruppen von Elektronen), die von der Plasmawelle beschleunigt werden, sich auf die gleiche Weise verhalten. Einige erhalten mehr Energie als andere, was zu ungleichmäßigen und weniger vorhersagbaren Strahlen führt.
Die Autoren der Studie haben einen Weg gefunden, um diese Probleme mit einem zweistufigen Korrekturverfahren zu lösen. Zunächst leiten sie die ungleichen Elektronenbündel aus dem LUX (Laser- und Röntgen-Freie-Elektronen-Laser)-Beschleuniger durch eine spezielle Anordnung von vier Magneten, die als Schikane bezeichnet wird.
Diese Schikane zwingt die Elektronen zu einem Umweg, der das Bündel in der Zeit streckt und sie auch nach ihren Energien sortiert. Als Ergebnis landen die schnelleren, hochenergetischen Elektronen am Anfang des gestreckten Bündels, und die langsameren, niederenergetischen am Ende.
Anschließend geht dieses gestreckte und sortierte Elektronenbündel in ein Gerät (einen Resonator), ähnlich denen, die in herkömmlichen Teilchenbeschleunigern verwendet werden. Dieses Gerät verwendet Radiowellen, um die Elektronen entweder zu verlangsamen oder zu beschleunigen.
„Wenn Sie die Ankunft des Strahls sorgfältig auf die Radiofrequenz abstimmen, können die niederenergetischen Elektronen am Ende des Bündels beschleunigt werden und die hochenergetischen Elektronen am Anfang verlangsamt werden. Dies komprimiert die Energieverteilung“, sagte Paul Winkler, Hauptautor der Studie.
Der Prozess stellt sicher, dass die Energie aller Elektronen im Bündel mehr oder weniger gleich ist. Mit diesem Ansatz konnte das DESY-Team die Energieunterschiede innerhalb eines Bündels um das 18-fache verringern und die Gesamtenergie der Bündel um das 72-fache konsistenter machen. Diese Ergebnisse machten die mit Laser-Plasma beschleunigten Elektronenbündel fast so gut wie die von herkömmlichen, riesigen Beschleunigern erzeugten.
Von der Theorie zur Realität
Die Forscher am DESY sind nach ihrem erfolgreichen Experiment optimistisch, das eine theoretische Idee zum ersten Mal in die Realität umgesetzt hat. Der zweistufige Korrekturansatz wurde bisher noch nie experimentell demonstriert.
„Was wir erreicht haben, ist ein großer Schritt nach vorn für Plasma-Beschleuniger. Wir haben noch viel Entwicklungsarbeit vor uns, wie etwa die Verbesserung der Laser und die Erreichung eines kontinuierlichen Betriebs, aber im Prinzip haben wir gezeigt, dass ein Plasma-Beschleuniger für diese Art von Anwendung geeignet ist“, bemerkte Wim Leemans, einer der Studienautoren.
Die Wissenschaftler verstehen, wie diese Technik verwendet werden könnte. Sie glauben, dass sie helfen könnte, Elektronenbündel zu erzeugen und zu beschleunigen, die in leistungsstarke Röntgenmaschinen wie PETRA III eingespeist werden können.
PETRA ist eine große wissenschaftliche Einrichtung am DESY, die schnelle Elektronen verwendet, um extrem helle Röntgenstrahlen zu erzeugen. Diese Strahlen helfen Wissenschaftlern, verschiedene Materialien, Moleküle und biologische Proben genau zu untersuchen.
Die Studie wurde im Journal Nature veröffentlicht.
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