Bau von Desktop-Teilchenbeschleunigern zur Erschließung neuer Forschungsbereiche
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Mit dem Einsatz von Hochleistungslasern haben Forscher einen wichtigen Schritt zur Miniaturisierung von Teilchenbeschleunigern getan, indem sie die Verstärkung von freien Elektronen durch Laser bei extrem ultravioletten Wellenlängen (27-50 nm) mit einer Beschleunigungslänge von nur wenigen Millimetern demonstriert haben. Durch die Erzeugung hochwertiger, monoenergetischer Elektronenstrahlen (d. h. Strahlen, bei denen alle Elektronen nahezu die gleiche Energie haben) haben sie einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu kompakten Beschleunigertechnologien erreicht.
Symbolisches Bild
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Proof-of-Concept-Versuchsaufbau zur Erzeugung eines Freie-Elektronen-Lasers (FEL) für extremes Ultraviolett (XUV), der durch einen Elektronenstrahl mit Laser-Wakefield-Beschleunigung (LWFA) angetrieben wird. Ein intensiver Laserpuls, der vom vorgeschalteten Lasersystem erzeugt wird, wird auf ein Überschall-Gasstrahltarget fokussiert, um ein Plasma zu erzeugen. Die Elektronen werden von der im Plasma erzeugten Plasmawelle (d. h. dem Laser-Wakefield) eingefangen und beschleunigt, wodurch ein hochenergetischer Elektronenstrahl entsteht. Dieser Elektronenstrahl wird über eine Transportleitung zu einem nachgeschalteten Undulator transportiert, wo er in dem periodischen Magnetfeld transversale Schwingungen erfährt und den FEL im XUV-Bereich erzeugt.
Tomonao Hosokai
Das Forscherteam unter der Leitung des Institute of Scientific and Industrial Research (SANKEN) der Universität Osaka hat in Zusammenarbeit mit dem Kansai Institute for Photon Science (KPSI), den National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), dem RIKEN SPring-8 Center (RSC) und der High Energy Accelerator Research Organization (KEK) eine Technik namens Laser-Wakefield-Beschleunigung angewandt, um Plasmawellen zu erzeugen, die dank Wellen im Plasma, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, extrem starke beschleunigende elektrische Felder erzeugen. Diese starken elektrischen Felder sind mehr als 1000 Mal so stark wie bei herkömmlichen Beschleunigern.
"Mit unserer Arbeit haben wir mehrere wesentliche Verbesserungen gegenüber früheren Techniken erzielt, die es uns ermöglichen, Freie-Elektronen-Laser-Verstärkung bei extremen ultravioletten Wellenlängen zu erreichen", sagt Hauptautor Zhan Jin. "Wir haben die Laserpulsformung genutzt, um die Fokussierungsgenauigkeit zu verbessern. In Kombination mit unseren speziell entwickelten Überschallgasdüsen können wir stabilere Wellenfronten erzeugen, die eine präzise Steuerung der Plasmaquelle ermöglichen."
Der Einsatz der Freie-Elektronen-Laserverstärkung auf diese Weise ist entscheidend für die Verringerung der Entfernung, die für die Beschleunigung der Elektronen erforderlich ist. Herkömmliche Systeme können Hunderte von Metern benötigen, aber die leistungsstarken Felder, die durch die Laser-Wakefield-Beschleunigung erzeugt werden, können diese Entfernung auf nur wenige Millimeter reduzieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Laser-Wakefield-Beschleunigung sich der Leistung annähert, die für praktische, hochwertige Elektronenbeschleuniger erforderlich ist. Der Nachweis bei extrem ultravioletten Wellenlängen ist ein wichtiger Meilenstein, aber das Forscherteam will noch weiter gehen.
"Die Laser-Wakefield-Beschleunigung wurde lange Zeit als unpraktisch angesehen, da das dafür benötigte Plasma nur schwer zu stabilisieren ist", erklärt der Hauptautor Tomonao Hosokai. "Wir haben die Stabilität und Qualität unserer Elektronenstrahlen erheblich verbessert, was es uns ermöglichen wird, künftige Beschleuniger drastisch zu miniaturisieren und kompakte Freie-Elektronen-Laser für Röntgenstrahlen zu entwickeln." Diese Arbeit zeigt, dass die Laser-Wakefield-Beschleunigung die gleiche Leistung erbringen kann wie praktische, hochwertige Hochenergie-Elektronenbeschleuniger.
Die Demonstration des Betriebs von Freie-Elektronen-Lasern im extrem ultravioletten Bereich ist ein entscheidender erster Schritt auf dem Weg zur Ausweitung der Technologie auf kürzere Wellenlängen, die letztlich kompakte Freie-Elektronen-Röntgenlaser ermöglichen. Diese außergewöhnlich leistungsstarken Lichtquellen erzeugen kohärente Röntgenstrahlen, die 10 Milliarden Mal heller sind als die Sonne, und ultrakurze Femtosekundenpulse. Ihr Einsatz ist derzeit auf große Anlagen beschränkt, aber eine Miniaturisierung dieser Laser würde ihren Einsatz in herkömmlichen Labors ermöglichen. Die Laser-Wakefield-Beschleunigung ist derzeit eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, dies zu erreichen. Die vom Forschungsteam geleistete Arbeit zur Stabilisierung des Plasmas, auf dem diese Beschleuniger basieren, ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zu diesem Ziel.
Die Entwicklung von kompakten Beschleunigern und Freie-Elektronen-Röntgenlasern wird Fortschritte in Bereichen wie Biowissenschaften, Materialwissenschaften, Halbleiterentwicklung und Quantenwissenschaften ermöglichen. Der Bau von Beschleunigern in Tischgröße würde es kleinen Labors ermöglichen, Forschungsarbeiten durchzuführen, für die derzeit große Beschleunigeranlagen erforderlich sind.
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