https://www.faz.net/-gwz-9ka3a

Surfen auf der Plasmawelle : Ein Teilchenbeschleuniger im Taschenformat

9 Zentimeter lang ist dieser Minibeschleuniger. Mit einem leistungsstarken Laser entstehen in der dünnen Kapillare Elektronen mit einer Energie von 4,3 Milliarden Elektronenvolt. Bild: Berkeley Lab - Roy Kaltschmidt,

Wer Elektronen auf hohe Energien bringen will, brauchte bislang einen großen Teilchenbeschleuniger. Dass es mit einem Plasma und einem intensiven Laserstrahl auch eine Nummer kleiner geht, zeigen Wissenschaftler aus Berkeley.

          Einen leistungsfähigen Teilchenbeschleuniger, der bequem auf einem Labortisch Platz hat, haben Wissenschaftler vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien entwickelt. Das Gerät kann Elektronen auf eine Rekord-Energie von bis zu 7,8 Milliarden Elektronenvolt (Gigaelektronenvolt) beschleunigen - für Energien dieser Größenordnungen benötigt man üblicherweise einige hundert Meter lange Teilchenbeschleuniger, die in großen Experimentierhallen untergebracht sind. Das Geheimnis: die geladenen Teilchen werden nicht mit starken und hochfrequenten elektrischen Feldern auf Touren gebracht. Sie erlauben es Elektronen stattdessen, auf einer Plasmawelle „surfen“ zu lassen. 

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Herzstück des Beschleunigers ist eine zwanzig Zentimeter lange mit Wasserstoffgas gefüllte dünne Röhre aus Saphir. Um energiereiche Elektronen zu erzeugen, zünden die Forscher mit einer kräftigen elektrostatischen Entladung und einem Laserstrahl in der Kapillare zunächst ein heißes Plasma aus positiv geladenen Wasserstoffkernen (Protonen) und Elektronen. Anschließend feuern sie intensive Laserpulse mit einer Leistung von 850 Billionen Watt (Terawatt) auf das Plasma. (Die Laser befand sich in einem anderen Gebäude.) Die Lichtpulse erzeugen entlang ihres Weges oszillierende Plasmawellen.

          Visualisierung des Plasmakanals (blau) in der 20 Zentimeter langen Kapillare. Er wird  von einer elektrischen Entladung und einem acht Nanosekunden langen Laserstrahl (rot/gelb) erzeugt.

          Auf de Bugwellen des Plamas werden die Elektronen beschleunigt und nehmen dabei fortlaufend Energie auf. Es entsteht ein energiereicher Elektronenpuls, der die Kapillare verlässt. Dass aus den austretenden Elektronen ein räumlich möglichst homogener schmaler Teilchenstrahl wird, sorgt ein elektromagnetisches Linsensystem hinter der Plasmaröhre.

          Elektronenergie fast verdoppelt

          Um eine Rekordenergie von fast 8 GeV erreichen zu können, mussten die Forscher sicher stellen, dass die Plasmawellen in der Saphir-Kapillare nicht nur an einer Stelle, sondern entlang der gesamten Achse entstehen. Dafür sorgte der Laserstrahl, der nach der elektrostatischen Entladung eingestrahlt wurde. Dieser erzeugte in der Kapillare einen engen Plasmakanal, in dem sich der nachfolgende infraroten Beschleuniger-Laserpuls auf voller Länge ausbreiten konnte, ohne dass er unterwegs an Intensität verlor.

          Dank dieser Technik gelang es, die Energie der Elektronen  gegenüber  früheren Experimenten mit einer neun Zentimeter langen Plasmaröhre (siehe Aufmacherbild) fast zu verdoppeln,  Nun wollen die Forscher die Energie der Elektronen weiter erhöhen, in dem sie ihren Plasmabeschleuniger weiter optimieren. Das Ziel sind 10 Gigaelektronenvolt. Nutzen ließe sich ein solcher kompakter Teilchenbeschleuniger dazu, etwa intensive Röntgenstrahlung zu erzeugen, wie man sie für die Untersuchung biologischer und materialwissenschaftlicher Proben verwendet. Der Plasmabeschleuniger aus Berkeley hat  aber einen entscheidenden Nachteil gegenüber konventionellen Teilchenbeschleunigern und Speicherringen: Er kann pro Sekunde nur einen Elektronenpuls erzeugen. Das dürfte die Anwendungen einschränken.

          Weitere Themen

          Mega, Giga und Exa

          Zukunftslabor Lindau 2019 : Mega, Giga und Exa

          Der Laser bricht immer neue Leistungsrekorde, und ein Ende ist nicht in Sicht. Ein Franzose und eine Kanadierin haben großen Anteil daran. Die Nobelpreisträger von 2018 berichteten in Lindau, was von der besonderen Lichtquelle noch alles zu erwarten ist.

          Topmeldungen

          Newsletter

          Immer auf dem Laufenden Sie haben Post! Abonnieren Sie unsere FAZ.NET-Newsletter und wir liefern die wichtigsten Nachrichten direkt in Ihre Mailbox. Es ist ein Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es erneut.
          Vielen Dank für Ihr Interesse an den F.A.Z.-Newslettern. Sie erhalten in wenigen Minuten eine E-Mail, um Ihre Newsletterbestellung zu bestätigen.