12.07.2019 - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Experimenteller Mini-Beschleuniger erreicht Rekordenergie

Gekoppelte Terahertz-Anlage liefert deutlich bessere Qualität des Elektronenstrahls

Ein DESY-Forschungsteam hat einen neuen Weltrekord für einen Miniatur-Teilchenbeschleuniger erzielt: Erstmals hat ein mit Terahertz-Strahlung betriebener Beschleuniger die Energie der injizierten Elektronen mehr als verdoppelt. Der Aufbau aus zwei gekoppelten Terahertz-Manipulatoren verbesserte dabei die Qualität des beschleunigten Elektronenstrahls im Vergleich zu früheren Terahertz-Experimenten erheblich, wie Dongfang Zhang und seine Kollegen vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bei DESY im Fachblatt „Optica“ berichten. „Wir haben die bislang besten Strahlparameter für Terahertz-Beschleuniger erreicht“, unterstreicht Zhang.

„Dieses Ergebnis ist ein wichtiger Schritt vorwärts auf dem Weg zur praktischen Nutzung von Terahertz-getriebenen Beschleunigern“, betonte der Leiter der Gruppe Ultrafast Optics and X-rays am CFEL, Franz Kärtner. Terahertz-Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot und Mikrowellen und ist der vielversprechende Antrieb für eine neue Generation kompakter Teilchenbeschleuniger. „Die Wellenlänge der Terahertz-Strahlung ist rund hundertmal kürzer als die Radiowellen, die üblicherweise zur Beschleunigung von Teilchen verwendet werden“, erläutert Kärtner. „Das heißt, dass sich auch die Beschleunigerkomponenten rund hundertmal kleiner bauen lassen.“

Der Terahertz-Ansatz verspricht daher Beschleuniger in Laborgröße, die komplett neue Anwendungen ermöglichen sollen wie etwa kompakte Röntgenlaser für die Analyse verschiedenster Materialien und möglicherweise sogar für medizinische Untersuchungen. Die Technologie wird gegenwärtig entwickelt. Da Terahertz-Wellen so schnell oszillieren, müssen alle Komponenten und jeder Prozessschritt präzise synchronisiert werden. „Um beispielsweise den höchsten Energiezuwachs zu erzielen, müssen die Elektronen das Terahertz-Feld genau in der Beschleunigungsphase viel besser als zur halben Periode treffen“, sagt Zhang.

In Beschleunigern fliegen Teilchen in der Regel nicht in einem kontinuierlichen Strahl, sondern in vielen kleinen Paketen. Wegen des schnell wechselnden Feldes in Terahertz-Beschleunigern, müssen diese Pakete sehr kurz sein, damit sie über ihre gesamte Länge eine gleichmäßige Beschleunigung erfahren. „In früheren Experimenten waren die Elektronenpakete zu lang“, berichtet Zhang. „Da das Terahertz-Feld so schnell oszilliert, wurden nur einige Elektronen in den Paketen beschleunigt, während andere sogar abgebremst wurden. Unter dem Strich ergab sich so nur ein moderater Energiezuwachs und, viel schlimmer, ein breite Verteilung der Elektronenenergien, was eine schlechte Strahlqualität bedeutet.“ Dazu vergrößerte dieser Effekt die sogenannte Emittanz, ein Maß für die Bündelung des Elektronenstrahls. Je stärker die Bündelung, desto besser – und desto kleiner die Emittanz.

m die Strahlqualität zu verbessern, hat Zhangs Team einen Zwei-Stufen-Beschleuniger gebaut. Dazu verwendeten sie zwei identische Kopien eines selbst entwickelten Mehrzweckgeräts: Der Segmentierte Terahertz-Elektronenbeschleuniger und -manipulator STEAM kann je nach Betriebsmodus Elektronenpakete komprimieren, fokussieren, beschleunigen und analysieren. Die Forscher schalteten zwei STEAMs hintereinander: Das erste komprimiert die hineinfliegenden Elektronenpakete von ungefähr 0,3 Millimetern Länge auf 0,1 Millimeter, und das zweite beschleunigt dann die komprimierten Pakete. „Diese Anordnung erfordert eine Kontrolle im Bereich von billiardstel Sekunden, was uns gelungen ist“, berichtet Zhang. „Das hat zu einer vierfach kleineren Energieverteilung und einer sechsmal kleineren Emittanz geführt, was die bislang besten Strahlparameter eines Terahertz-Beschleunigers darstellt.“

Der Beschleuniger erhöhte die Energie der verwendeten Elektronen von 55 auf 125 Kilo-Elektronenvolt (keV), lieferte also einen Energiezuwachs von 70 keV. „Das ist der erste Energieschub von mehr als 100 Prozent in einem Terahertz-getriebenen Beschleuniger“, betont Zhang. Das Zwei-Stufen-System erzeugte ein Beschleunigungsfeld (Gradienten) mit einer Stärke von 200 Millionen Volt pro Meter (200 MV/m), das ist nah an den derzeit stärksten konventionellen Teilchenbeschleunigern. Für praktische Anwendungen muss das deutlich erhöht und die Strahlqualität weiter verbessert werden. Die Wissenschaftler haben nun einen Weg gezeigt, wie das gelingen könnte. „Unsere Arbeit zeigt, dass noch eine dreimal stärkere Kompression der Elektronenpakete möglich ist. Zusammen mit stärkerer Terahertz-Strahlung scheinen und Beschleuniger-Gradienten im Bereich von Gigavolt pro Meter machbar“, sagt Zhang. „Das Terahertz-Konzept erscheint daher zunehmend als realistische Option für die Entwicklung kompakter Elektronenbeschleuniger.“

Der erreichte Fortschritt ist auch von zentraler Bedeutung für das vom europäischen Forschungsrat ERC geförderten Projekt AXSIS (Frontiers in Attosecond X-ray Science: Imaging and Spectroscopy) am CFEL, das an der Ablichtung und Spektroskopie komplexer biophysikalischer Prozesse mit Hilfe kurzer Röntgenpulse arbeitet, die mit Terahertz-betriebenen Beschleunigern erzeugt werden. Das CFEL ist eine gemeinsame Einrichtung von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
  • News

    Doppelter Mini-Teilchenbeschleuniger mit Energie-Recycling

    Ein DESY-Team hat einen zweistufigen Mini-Beschleuniger gebaut, der einen Teil der eingespeisten Laserenergie recycelt und damit die beschleunigten Teilchen ein zweites Mal anschiebt. Das Gerät arbeitet mit sogenannter Terahertz-Strahlung aus dem Wellenlängenbereich zwischen Infrarotlicht u ... mehr

    Plastik aus Holz

    Als Nebenprodukt der Papierherstellung ist das Biopolymer Lignin ein vielversprechender Rohstoff für eine nachhaltige Kunststoffproduktion. Das Naturprodukt steht jedoch nicht in einer so gleichbleibenden Qualität wie erdölbasiertes Plastik zur Verfügung. Eine Röntgenuntersuchung bei DESY z ... mehr

    Röntgenlicht zeigt Geburt von Halbleiter für blaue LEDs

    Mit Hilfe eines Spezialofens hat ein internationales Forscherteam die ersten Schritte des Wachstums des Halbleiters Galliumnitrid im Röntgenlicht analysiert. Die Beobachtungen zeigen erstmals die atomare Struktur der Grenzfläche des Halbleitermaterials mit flüssigem Gallium unter milden Wac ... mehr

  • Videos

    DESYs Röntgenlaser FLASH - High-Speed-Kamera für den Nanokosmos

    Wie arbeiten die Moleküle des Lebens? Wie funktionieren die Werkstoffe der Zukunft? Wie können wir effizienter Energie gewinnen und Ressourcen schonen? Fragen and FLASH, die High-Speed-Kamera für den Nanokosmos. mehr

    Teilchenzoo: Und nun?

    Mit dem extrem erfolgreichen Standardmodell der Teilchenphysik verstehen wir bislang nur rund 5% des Universums. Wie geht es weiter - Stringtheorie, Supersymmetrie, DESY-Physiker Georg Weiglein und Gudrid Moortgat-Pick diskutieren die großen offenen Fragen der Teilchenphysik. mehr

    Teilchenzoo: Photonen, Gluonen und andere Kräfteteilchen

    "Die vier Kräfte" - das ist kein Gericht aus dem Chinarestaurant, sondern das sind die vier Grundkräfte der Natur: die starke, die schwache, die elektromagnetische und die Schwerkraft. DESY-Doktorand Marc Wenskat erklärt ihre Wechselwirkungsteilchen und zeigt dabei, dass ein kleiner Magnet ... mehr