Ein 50 mm langes Plasmabeschleunigermodul im Betrieb. Das blaue Licht entsteht bei der Rekombination des Argonplasmas nach einer Hochspannungsentladung. Die Vergrößerung zeigt ein simuliertes Plasma-Wakefield, das dem des Experiments entspricht. Es wird von einem führenden Elektronenpaket, das sich nach rechts bewegt, erzeugt; ein nachfolgendes Elektronenpaket wird darin schnell und effizient beschleunigt (Fotomontage: C. Lindstrøm/DESY).
Die Technologie der plasmabasierten Beschleunigung verspricht eine neue Generation von leistungsstarken und kompakten Teilchenbeschleunigern. Einem internationalen Forschungsteam ist nun ein großer Schritt auf dem Weg dorthin gelungen: Am Experiment FLASHForward an DESYs FLASH-Beschleuniger erzeugte das Team maßgeschneiderte Teilchenpakete für den optimalen Ablauf der Plasmabeschleunigung. Es gelang ihnen so erstmals, innerhalb des beschleunigten Teilchenpakets eine sehr kleine Bandbreite in der Energieverteilung zu erhalten und gleichzeitig die Teilchen mit bisher unerreichter Energieeffizienz zu beschleunigen. Beides sind wichtige Voraussetzungen für den zukünftigen Einsatz von Plasmabeschleunigern in kompakten Collidern und brillanten Photonenquellen der nächsten Generation.
Plasmabasierte Beschleuniger haben das Potenzial, die Größe von riesigen Teilchenbeschleunigeranlagen wie Linearcollidern oder Freie-Elektronen-Lasern drastisch zu reduzieren. Ein hochenergetischer Laser- oder Teilchenstrahl, der durch ein Plasma geschossen wird, kann in diesem Plasma ein starkes elektromagnetisches Feld, eine Art Kielwasserwelle anregen, die zur Beschleunigung geladener Teilchen genutzt werden kann. Bei FLASHForward wird dieses Wakefield im Plasma durch ein Elektronenpaket erzeugt, das nahezu mit Lichtgeschwindigkeit durch das Plasma pflügt. Die Elektronen dieses „Treiberstrahls“ bringen die frei beweglichen Elektronen des Plasmas zum Oszillieren und damit zur Erzeugung sehr starker elektrischer Felder. Diese Felder beschleunigen die Elektronen eines direkt hinter dem Treiberpaket fliegenden Teilchenpakets. Die durch die Plasmafelder erzeugte Beschleunigung ist dabei bis zu tausendmal höher als bei herkömmlichen Techniken. Sie könnte daher die Basis für eine neue Generation von leistungsfähigeren, kompakteren und vielseitigeren Beschleunigern sein. Die aus Plasmabeschleunigern kommenden Elektronen oder daraus erzeugte Röntgenstrahlen könnten sowohl für die Wissenschaft als auch für industrielle oder medizinische Anwendungen genutzt werden.
Allerdings erfordern schon die heutigen wissenschaftlichen Experimente an Beschleunigern und Collidern eine hohe Energieeffizienz und stellen hohe Anforderungen an die Strahlqualität, wie z. B. die Verteilung der Teilchenenergien innerhalb des Strahls. Bei Plasmabeschleunigern ist dies eine besondere Herausforderung, da ihre Wakefield-Oszillationen eine sehr hohe Frequenz haben und deshalb schon über die Länge selbst kurzer Teilchenpakete stark variieren. Das führt zu einer Änderung der elektrischen Felder, die die Elektronen beschleunigen, was wiederum zur Folge hat, dass die Teilchen innerhalb des Pakets verschieden stark beschleunigt werden und somit ein breites Spektrum von Endenergien besitzt. Die theoretische Lösung für dieses Problem wurde bereits in den 1980er Jahren, kurz nach der Entdeckung der Plasma-Wakefields, identifiziert: die sehr präzise Formung des beschleunigten Teilchenpakets. Hat dieses eine genau angepasste Zeitstruktur, kann das beschleunigte Paket sein eigenes Wakefield dazu bringen, sich mit dem Kielfeld des beschleunigenden Strahls so zu überlagern, so dass alle Teilchen im Paket gleichmäßig beschleunigt werden. Das ist den Forscherinnen und Forschern an FLASHForward jetzt erstmals gelungen.
Für ihre Experimente nutzte die Gruppe die sehr stabilen und hochwertigen Elektronenpakete aus dem supraleitenden Beschleuniger des Freie-Elektronen-Lasers FLASH, der die Strahlführung von FLASHForward mit Elektronen versorgt. Mit Hilfe einer magnetischen Schikane teilte das Team ein FLASH-Teilchenpaket in zwei Teile – einen, der das Plasma-Wakefield zur Beschleunigung erzeugt, und einen, der beschleunigt wird. Mit Hilfe einer neuen Technik zur sehr präzisen Vermessung der Welle im Plasma, die erst kürzlich vom FLASHForward-Team entwickelt wurde, konnte das Team die Elektronenpakete, die sich durch das Plasma bewegen, so präzise formen, dass der Gradient ihres Kielfeldes genau in dem Bereich ein flaches, ebenes Profil hatte, in dem sich der beschleunigende Strahl befand. „Stellt man sich die Elektronenpakete wie Schneepflüge vor, die durch das Plasma ziehen, die Elektronen und Ionen darin auseinanderreißen und so das beschleunigende elektrische Feld bilden, dann können wir jetzt sehr genau einstellen, wie diese Schneepflüge geformt sind, so dass das Plasma perfekt dafür vorbereitet ist, um die Elektronen gleichmäßig und effizient zu beschleunigen", sagt Carl Lindstrøm vom FLASHForward-Team bei DESY, Erstautor der jetzt im Fachblatt Physical Review Letters erschienenen Veröffentlichung.
In ihren Versuchen beschleunigte das Team die 1-Giga-Elektronenvolt (GeV)-Elektronen von FLASH um 45 Mega-Elektronenvolt (MeV), wobei die Energieverteilung innerhalb des Teilchenpakets, die im Promillebereich lag, erhalten blieb. „Ich bin sehr stolz auf dieses Ergebnis, das ein wichtiger Schritt vorwärts für die Technologie der Plasmabeschleunigung ist und eines der Hauptziele, für die FLASHForward ursprünglich konzipiert wurde“, sagt Jens Osterhoff, Leiter der Plasmabeschleunigergruppe bei DESY und Mitautor der Veröffentlichung.
Mit den genau zugeschnittenen Teilchenpaketen erreichte die Gruppe nicht nur ein „abgeflachtes“ Beschleunigungsfeld – die Methode führt auch zu einer sehr hohen Übertragung der Beschleunigungsenergie. „In diesen ersten Experimenten lag die Effizienz des Energietransfers vom Wakefield auf die Teilchen bei mehr als 40 %, das ist fast ein Faktor 2 besser als bisher, und wir wollen dies noch weiter verbessern“, so Osterhoff.
„Dieses Ergebnis, das durch die hohe Qualität der von DESYs FLASH-Anlage erzeugten Elektronenstrahlen möglich wurde, zeigt, dass Plasmabeschleuniger so konstruiert werden können, dass sie mit hoher Effizienz arbeiten und die Energieverteilung der beschleunigten Teilchen erhalten bleibt. Das ist ein weiterer wichtiger Schritt für die Entwicklung von Plasmabeschleunigern für praktische Anwendungen“, betont Wim Leemans, Direktor des DESY-Beschleunigerbereichs.
Original-Veröffentlichung
Energy-Spread Preservation and High Efficiency in a Plasma-Wakefield Accelerator; C. A. Lindstrøm, J. M. Garland, S. Schröder, L. Boulton, G. Boyle, J. Chappell, R. D’Arcy, P. Gonzalez, A. Knetsch, V. Libov, G. Loisch, A. Martinez de la Ossa, P. Niknejadi, K. Põder, L. Schaper, B. Schmidt, B. Sheeran, S. Wesch, J. Wood, and J. Osterhoff, Phys. Rev. Lett. 126, 014801
