Pulsschlaglimit von Plasmabeschleunigern vermessen

Die beiden Plasmazellen von FLASHForward, beobachtet durch ein Vakuumfenster. Die Zellen werden mit Argongas gefüllt und dann mit der Entladung einer elektrischen Hochspannung ionisiert, um ein Plasma zu bilden.
(c) C.A. Lindstrøm / DESY

Neue Erkenntnis eröffnet die Möglichkeit, Plasmabeschleuniger als Boosterstufe bei Beschleunigern mit hohen Taktraten einzusetzen
Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von DESY-Wissenschaftlern hat am FLASHForward-Experiment erstmals gezeigt, dass es prinzipiell möglich ist, Plasmabeschleuniger mit den in der Teilchenphysik und Photonenforschung üblichen Wiederholraten zu betreiben. So könnten solche hocheffizienten Beschleuniger als Booster-Stufen in bestehenden Anlagen mit hohen Taktraten eingesetzt werden und die Energie der dort beschleunigten Teilchenpakete auf einer kurzen Strecke deutlich erhöhen. Das Team stellt seine Studien in der Fachzeitschrift Nature vor.

Die Plasmabeschleunigung ist eine innovative Technologie für eine neue Generation von Teilchenbeschleunigern, die nicht nur sehr kompakt, sondern auch extrem vielseitig einsetzbar sind. Ziel ist es, die beschleunigten Elektronen für verschiedene Anwendungsfelder in Industrie, Wissenschaft und Medizin zu nutzen. Die Beschleunigung geschieht in einem extrem dünnen Kanal – in der Regel nur wenige Zentimeter lang –, der mit einem ionisierten Gas, dem Plasma, gefüllt ist. Ein hochenergetischer Laser- oder Teilchenstrahl, der durch das Plasma geschossen wird, kann ein starkes elektromagnetisches Feld – eine Art ´Kielwelle´ – anregen, das zur Beschleunigung geladener Teilchen genutzt werden kann. Auf diese Weise können Plasmabeschleuniger Beschleunigungsstärken erreichen, die bis zu tausendmal höher sind als bei den leistungsstärksten Beschleunigern, die heute eingesetzt werden. Damit könnten sie in Zukunft die Größe von kilometerlangen Anlagen wie Teilchen-Collidern oder Freie-Elektronen-Lasern drastisch verringern.

Moderne Beschleuniger für die Spitzenforschung müssen allerdings auch hohe Anforderungen in Bezug auf Effizienz, Strahlqualität und Anzahl der pro Sekunde beschleunigten Pakete erfüllen. Um eine besonders große Anzahl von Lichtblitzen oder Teilchenkollisionen in möglichst kurzer Zeit zu erzeugen, müssen Tausende oder gar Millionen dicht gepackter Teilchenpakete in einer Sekunde durch die Beschleuniger gejagt werden. Plasmabeschleuniger müssten also eine ähnliche Wiederholrate erreichen, um mit modernster Teilchenbeschleunigertechnik konkurrieren zu können. Aktuelle Testanlagen für die Plasmabeschleunigung werden in der Regel mit sehr viel langsameren Wiederholraten im Bereich von einer bis zehn Beschleunigungen pro Sekunde betrieben. Das Team um DESY-Forscher Jens Osterhoff hat nun bewiesen, dass Raten wie bei heutigen Spitzenbeschleunigern möglich sind. „Mit FLASHForward konnten wir erstmals zeigen, dass Plasmabeschleunigungsprozesse prinzipiell Wiederholraten im Megahertz-Bereich erlauben“, sagt Osterhoff.

Bei FLASHForward wird die Welle, die die Beschleunigung auslöst, – das so genannte Wakefield im Plasma – durch ein Elektronenpaket aus dem FLASH-Beschleuniger erzeugt, das mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Plasma pflügt. Die Elektronen dieses „Antriebsstrahls“ bringen die frei beweglichen Elektronen des Plasmas in ihrem Kielwasser zum Schwingen und erzeugen so sehr starke elektrische Felder. Diese Felder beschleunigen die Elektronen eines Teilchenpakets, das direkt hinter dem Treiberbündel fliegt. „Anders als in konventionellen Beschleunigern, wo langlebige elektromagnetische Wellen, die in einem Resonanzhohlraum gespeichert sind, mehrere Teilchenpakete in schneller Folge beschleunigen können, verschwinden die im Plasma erzeugten elektromagnetischen Felder nach jedem Beschleunigungsvorgang sehr schnell“, erklärt Richard D´Arcy, Erstautor der Studie. „Um einen neuen, ähnlichen Beschleunigungsprozess zu starten, müssen sich die Plasmaelektronen und -ionen vorher in etwa zu ihrem Ausgangszustand ´erholt´ haben, so dass die Beschleunigung des nächsten Paares von Teilchenpaketen nicht durch die des vorherigen beeinflusst wird.“

In ihren Experimenten nutzten die Wissenschaftler den sehr flexibel einstellbaren supraleitenden Beschleuniger des Röntgenlasers FLASH, um Teilchenpakete mit extrem kurzen zeitlichen Abständen zu erzeugen. Das erste Paket pflügte durch das Plasma und erzeugte durch sein starkes Wakefield eine Störung. Danach wurden in variablen Abständen Paare von Teilchenpaketen durch die Plasmazelle geschickt: Das erste Paket des Paares erzeugte ein neues Wakefield, und das zweite wurde durch die so entstehenden Felder beschleunigt. Die Eigenschaften dieser nachfolgenden Paketpaare wurden vom Experimentierteam genau gemessen und mit denen von Paketen verglichen, die diesen Vorgang in einem ungestörten Plasma vollzogen haben. Das Ergebnis: Nach etwa 70 Milliardstel Sekunden (70 Nanosekunden) war es nicht mehr möglich zu unterscheiden, ob die Beschleunigung in einem zuvor gestörten oder ungestörten Plasma stattgefunden hatte. „Wir konnten den Abklingvorgang der Störung, der innerhalb der ersten 70 Nanosekunden abgeschlossen war, genau beobachten und in Simulationen exakt erklären“, sagt D´Arcy. „In weiteren Messungen wollen wir überprüfen, wie unterschiedliche Rahmenbedingungen im Aufbau die Erholungszeit der Plasmawelle beeinflussen.“ Zum Beispiel könnte die Erwärmung des Plasmamediums durch den Hochfrequenzbetrieb einen Einfluss darauf haben, wie schnell das Plasma wieder regeneriert.

Die neuen Erkenntnisse, an denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von DESY, dem University College London und den Universitäten Oxford und Hamburg beteiligt waren, legen den Grundstein für einen neuen Einsatz von Plasmabeschleunigern in der Forschung: Heutige Teilchenbeschleuniger, die mit Wiederholraten im Kilohertz- bis Megahertz-Bereich betrieben werden, könnten mit Plasmabeschleunigermodulen ausgestattet werden, die als Booster-Stufen die Teilchenenergie auf kürzestem Weg deutlich erhöhen. „Die Ergebnisse haben weitreichende Auswirkungen auf das Potenzial, Plasmatechnologie in zukünftigen Anlagen mit hohen Wiederholraten einzusetzen, für die DESY in der Welt bekannt ist“, sagt Wim Leemans, Direktor des Beschleunigerbereichs bei DESY.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Richard D´Arcy
DESY
Telefon: +49 40 8998-3842
richard.darcy@desy.de

Dr. Jens Osterhoff
DESY
Telefon: +49 40 8998-1854
jens.osterhoff@desy.de

Originalpublikation:

Recovery time of a plasma-wakefield accelerator; R. D’Arcy, J. Chappell, J. Beinortaite, S. Diederichs, G. Boyle, B. Foster, M.J. Garland, P. Gonzalez Caminal, C.A. Lindstrøm, G. Loisch, S. Schreiber, S. Schröder, R.J. Shalloo, M. Thévenet, S. Wesch, M. Wing, and J. Osterhoff; „Nature“, 2022; DOI: 10.1038/s41586-021-04348-8
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04348-8

http://www.desy.de/

Media Contact

Dr. Thomas Zoufal Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

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