Das aus zwei Hälften zusammengesetzte Foto zeigt die Plasmalinse im Betrieb mit Helium (rot) und Argon (blau) (Fotomontage: C.A. Lindstrøm, Univ. Oslo).
Ein internationales Team von Forschern aus Oslo, Oxford, von DESY und CERN hat eine große Hürde beseitigt, die bisher den technischen Einsatz sogenannter Plasmalinsen verhinderte. Die einfache Lösung des Problems stellte die Gruppe jetzt in einer Veröffentlichung in den Physical Review Letters vor. Sie ebnet den Weg für den Einsatz solcher Linsen nicht nur in Plasmabeschleunigern, sondern auch in konventionellen Beschleunigern für die Photon Science oder die Teilchenphysik.
Die hohen Feldstärken, die sich in einem Plasma ausbilden, lassen sich nicht nur zur Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen benutzen, sie können Teilchenstrahlen auch fokussieren. In einer sogenannten aktiven Plasmalinse sorgt ein hoher Strom, der entlang des Teilchenflugs durch das Plasma geleitet wird, für ein magnetisches Wirbelfeld. Dieses kann – im Gegensatz zu klassischen Quadrupolmagneten – den Teilchenstrahl gleichzeitig in Höhe und Breite fokussieren. Dies, zusammen mit der hohen Fokussierleistung durch die hohen Magnetfelder, macht diese Art von Linsen für den Einsatz in Teilchenbeschleunigern sehr attraktiv. Eines der Hauptprobleme solcher Plasmalinsen hat das allerdings bisher verhindert: Eine Fehlsichtigkeit der Linsen zerstörte die Qualität der fokussierten Teilchenstrahlen während des Durchflugs durch die Plasmazelle. Diese sogenannte Aberration bildet sich aus, wenn unterschiedlich warme Zonen im Plasma entstehen, wenn der Strom das Plasma aufheizt, es sich aber gleichzeitig an den Außenwänden der Plasmazelle abkühlt. Hierdurch liegen an verschiedenen Orten im Plasma unterschiedlich starke Fokussierfelder vor, die zu einer Fehlsichtigkeit der Linse führen. Diese Aberration stellte sich bisher so schnell nach Zünden des Plasmas ein, dass es nicht gelang, ein Teilchenpaket durch die Plasmalinse fokussieren zu lassen, bevor sie fehlsichtig wurde.
Die internationale Forschergruppe hat jetzt an einem Teststrahl am CERN-Beschleuniger CLEAR einen Ausweg aus dieser Situation gefunden, die das schon Jahre alte Konzept von Plasmalinsen bisher blockierte: Sie stellten die Sorte des Gases, aus dem das Plasma erzeugt wird, einfach von dem üblicherweise verwendeten leichten Helium auf das schwerere Argon um. Dies verlangsamt die Wärmeleitung innerhalb des Gases so lange, dass sich direkt nach der Zündung des Plasmas und Anschalten des Magnetstroms ein Teilchenpaket fokussieren lässt, ohne dass sich seine Strahlqualität verschlechtert. Erst nach dem Durchqueren des Pakets wird die Plasmalinse wieder fehlsichtig. „Ein Argon-Plasma ist zwar wesentlich komplexer als ein Plasma in Helium“, erklärt DESY-Physiker Jens Osterhoff, dessen Gruppe die Idee für die Ausnutzung der geringeren Wärmeleitfähigkeit entwickelt hat und die Plasmalinse für die Experimente baute, „aber für die Funktion als Magnetlinse ist das nicht so entscheidend wie für die Teilchenbeschleunigung. Hier ist die Eigenschaft der schlechten Wärmeleitung der wesentliche Faktor.“
Die Ergebnisse der Studien sind ein wichtiger Schritt, um aktive Plasmalinsen in Zukunft zu einer Standard-Beschleunigerkomponente zu machen. Für die nähere Zukunft planen die Forscher außerdem, Plasmazellen für diese Zwecke im Glas-3D-Druckverfahren herzustellen.
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