Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Experimenteller Mini-Beschleuniger erreicht Rekordenergie

11.07.2019

Ein DESY-Forschungsteam hat einen neuen Rekord für einen Miniatur-Teilchenbeschleuniger erzielt: Erstmals hat ein mit Terahertz-Strahlung betriebener Beschleuniger die Energie der injizierten Elektronen mehr als verdoppelt. Der Aufbau aus zwei gekoppelten Terahertz-Manipulatoren verbesserte dabei die Qualität des beschleunigten Elektronenstrahls im Vergleich zu früheren Terahertz-Experimenten erheblich, wie Dongfang Zhang und seine Kolleginnen und Kollegen vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bei DESY im Fachblatt „Optica“ berichten. „Wir haben die bislang besten Strahlparameter für Terahertz-Beschleuniger erreicht“, unterstreicht Zhang.

„Dieses Ergebnis ist ein wichtiger Schritt vorwärts auf dem Weg zur praktischen Nutzung von Terahertz-getriebenen Beschleunigern“, betont der Leiter der Gruppe Ultrafast Optics and X-rays am CFEL, Franz Kärtner. Terahertz-Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarot und Mikrowellen und ist der vielversprechende Antrieb für eine neue Generation kompakter Teilchenbeschleuniger.


Der zweistufige Minibeschleuniger komprimiert Elektronenpakete (blau) im ersten Schritt, bevor er sie beschleunigt. Die Module sind rund 2cm breit und werden mit Terahertz-Strahlung (rot) betrieben.

Bild: DESY, Gesine Born

„Die Wellenlänge der Terahertz-Strahlung ist rund hundertmal kürzer als die Radiowellen, die üblicherweise zur Beschleunigung von Teilchen verwendet werden“, erläutert Kärtner. „Das heißt, dass sich auch die Beschleunigerkomponenten rund hundertmal kleiner bauen lassen.“

Der Terahertz-Ansatz verspricht daher Beschleuniger in Laborgröße, die komplett neue Anwendungen ermöglichen sollen wie etwa kompakte Röntgenlaser für die Analyse verschiedenster Materialien und möglicherweise sogar für medizinische Untersuchungen. Die Technologie wird gegenwärtig entwickelt.

Da Terahertz-Wellen so schnell oszillieren, müssen alle Komponenten und jeder Prozessschritt präzise synchronisiert werden. „Um beispielsweise den höchsten Energiezuwachs zu erzielen, müssen die Elektronen das Terahertz-Feld genau in der Beschleunigungsphase zur halben Periode treffen“, sagt Zhang.

In Beschleunigern fliegen Teilchen in der Regel nicht in einem kontinuierlichen Strahl, sondern in vielen kleinen Paketen. Wegen des schnell wechselnden Feldes in Terahertz-Beschleunigern, müssen diese Pakete sehr kurz sein, damit sie über ihre gesamte Länge eine gleichmäßige Beschleunigung erfahren. „In früheren Experimenten waren die Elektronenpakete zu lang“, berichtet Zhang.

„Da das Terahertz-Feld so schnell oszilliert, wurden nur einige Elektronen in den Paketen beschleunigt, während andere sogar abgebremst wurden. Unter dem Strich ergab sich so nur ein moderater Energiezuwachs und, viel schlimmer, eine breite Verteilung der Elektronenenergien, was eine schlechte Strahlqualität bedeutet.“ Dazu vergrößerte dieser Effekt die sogenannte Emittanz, ein Maß für die Bündelung des Elektronenstrahls. Je stärker die Bündelung, desto besser – und desto kleiner die Emittanz.

Um die Strahlqualität zu verbessern, hat Zhangs Team einen Zwei-Stufen-Beschleuniger gebaut. Dazu verwendeten sie zwei identische Kopien eines selbst entwickelten Mehrzweckgeräts: Der Segmentierte Terahertz-Elektronenbeschleuniger und -manipulator STEAM kann je nach Betriebsmodus Elektronenpakete komprimieren, fokussieren, beschleunigen und analysieren.

Die Forscherinnen und Forscher schalteten zwei STEAMs hintereinander: Das erste komprimiert die hineinfliegenden Elektronenpakete von ungefähr 0,3 Millimeter Länge auf 0,1 Millimeter, und das zweite beschleunigt dann die komprimierten Pakete.

„Diese Anordnung erfordert eine Kontrolle im Bereich von billiardstel Sekunden, was uns gelungen ist“, berichtet Zhang. „Das hat zu einer vierfach kleineren Energieverteilung und einer sechsmal kleineren Emittanz geführt, was die bislang besten Strahlparameter eines Terahertz-Beschleunigers darstellt.“

Der Beschleuniger erhöhte die Energie der verwendeten Elektronen von 55 auf 125 Kilo-Elektronenvolt (keV), lieferte also einen Energiezuwachs von 70 keV. „Das ist der erste Energieschub von mehr als 100 Prozent in einem Terahertz-getriebenen Beschleuniger“, betont Zhang.

Das Zwei-Stufen-System erzeugte ein Beschleunigungsfeld (Gradienten) mit einer Stärke von 200 Millionen Volt pro Meter (200 MV/m), das ist nah an den derzeit stärksten konventionellen Teilchenbeschleunigern. Für praktische Anwendungen muss das deutlich erhöht und die Strahlqualität weiter verbessert werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben nun einen Weg gezeigt, wie das gelingen könnte.

„Unsere Arbeit zeigt, dass noch eine dreimal stärkere Kompression der Elektronenpakete möglich ist. Zusammen mit stärkerer Terahertz-Strahlung scheinen Beschleuniger-Gradienten im Bereich von Gigavolt pro Meter machbar“, sagt Zhang. „Das Terahertz-Konzept erscheint daher zunehmend als realistische Option für die Entwicklung kompakter Elektronenbeschleuniger.“

Der erreichte Fortschritt ist auch von zentraler Bedeutung für das vom europäischen Forschungsrat ERC geförderten Projekt AXSIS (Frontiers in Attosecond X-ray Science: Imaging and Spectroscopy) am CFEL, das an der Ablichtung und Spektroskopie komplexer biophysikalischer Prozesse mit Hilfe kurzer Röntgenpulse arbeitet, die mit Terahertz-betriebenen Beschleunigern erzeugt werden. Das CFEL ist eine gemeinsame Einrichtung von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums.

Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung:
Femtosecond phase control in high field Terahertz driven ultrafast electron sources; Dongfang Zhang, Arya Fallahi, Michael Hemmer, Hong Ye, Moein Fakhari, Yi Hua, Huseyin Cankaya, Anne-Laure Calendron, Luis E. Zapata, Nicholas H. Matlis, Franz X. Kärtner; „Optica“, 2019; DOI: 10.1364/OPTICA.6.000872

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Dongfang Zhang
CFEL/DESY
Telefon: +49 40 8998-6366
dongfang.zhang@desy.de

Prof. Franz X. Kärtner
CFEL/DESY
Telefon: +49 40 8998-6350
franz.kaertner@desy.de

Originalpublikation:

Femtosecond phase control in high field Terahertz driven ultrafast electron sources; Dongfang Zhang, Arya Fallahi, Michael Hemmer, Hong Ye, Moein Fakhari, Yi Hua, Huseyin Cankaya, Anne-Laure Calendron, Luis E. Zapata, Nicholas H. Matlis, Franz X. Kärtner; „Optica“, 2019; DOI: http://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.6.000872

Weitere Informationen:

http://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=1654&... - Pressemitteilung mit Bildern im Web

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Knobeln auf dem Quanten-Schachbrett
10.07.2019 | Universität Innsbruck

nachricht Mögliche Verbindung zwischen Quantenphysik und Raumzeit entdeckt
10.07.2019 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Knobeln auf dem Quanten-Schachbrett

Physiker der Universität Innsbruck schlagen ein neues Modell vor, mit dem die Überlegenheit von Quantencomputern gegenüber klassischen Supercomputern bei der Lösung von Optimierungsaufgaben gezeigt werden könnte. Sie demonstrieren in einer aktuellen Arbeit, dass schon wenige Quantenteilchen genügen würden, um das mathematisch schwierige Damenproblem im Schach auch für größere Schachbretter zu lösen.

Das Damenproblem ist eine schachmathematische Aufgabe, die schon den großen Mathematiker Carl Friedrich Gauß beschäftigt hat, für die er aber erstaunlicher...

Im Focus: Ladungstransfer innerhalb von Übergangsmetall-Farbstoffen analysiert

In farbstoffbasierten Solarzellen sorgen Übergangsmetall-Komplexe dafür, dass Licht in elektrische Energie umgewandelt wird. Bisher ging man davon aus, dass innerhalb des Moleküls eine räumliche Ladungstrennung stattfindet. Dass dies eine zu simple Beschreibung des Prozesses ist, zeigt eine Analyse an BESSY II. Erstmals hat dort ein Team die fundamentalen elektronischen Prozesse rund um das Metallatom und seine Liganden untersucht. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie, International Edition“ erschienen und stellt das Titelbild.

Organische Solarzellen wie die Grätzel-Zelle bestehen aus Farbstoffen, die auf Übergangsmetall-Komplex-Verbindungen basieren. Sonnenlicht regt die äußeren...

Im Focus: Graphen aus Kohlendioxid

Die chemische Verbindung Kohlendioxid kennt die Allgemeinheit als Treibhausgas in der Atmosphäre und wegen seines klimaerwärmenden Effekts. Allerdings kann Kohlendioxid auch ein nützlicher Ausgangsstoff für chemische Reaktionen sein. Über eine solche ungewöhnliche Einsatzmöglichkeit berichtet nun eine Arbeitsgruppe des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in der Fachzeitschrift ChemSusChem. Sie nutzt Kohlendioxid als Ausgangstoff, um das derzeit sehr intensiv untersuchte Technologiematerial Graphen herzustellen. (DOI: 10.1002/cssc.201901404)

Die Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle und Erdöl liefert Energie für Strom, Wärme und Mobilität, aber führt auch zum Anstieg der Kohlendioxidmenge in...

Im Focus: Extremely hard yet metallically conductive: Bayreuth researchers develop novel material with high-tech prospects

An international research group led by scientists from the University of Bayreuth has produced a previously unknown material: Rhenium nitride pernitride. Thanks to combining properties that were previously considered incompatible, it looks set to become highly attractive for technological applications. Indeed, it is a super-hard metallic conductor that can withstand extremely high pressures like a diamond. A process now developed in Bayreuth opens up the possibility of producing rhenium nitride pernitride and other technologically interesting materials in sufficiently large quantity for their properties characterisation. The new findings are presented in "Nature Communications".

The possibility of finding a compound that was metallically conductive, super-hard, and ultra-incompressible was long considered unlikely in science. It was...

Im Focus: Superhart und doch metallisch leitfähig: Bayreuther Forscher entwickeln neuartiges Material mit Hightech-Perspektiven

Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Bayreuth hat ein bislang völlig unbekanntes Material hergestellt: Rhenium-Nitrid-Pernitrid. Infolge einer Kombination von Eigenschaften, die bisher als inkompatibel galten, ist es für technologische Anwendungen hochattraktiv. Es handelt sich um einen superharten metallischen Leiter, der wie ein Diamant extrem hohen Drücken standhält. Ein jetzt in Bayreuth entwickeltes Verfahren eröffnet die Möglichkeit, Rhenium-Nitrid-Pernitrid herzustellen, und ist auf weitere technologisch interessante Materialien anwendbar. In "Nature Communication" werden die neuen Erkenntnisse vorgestellt.

Dass es eine Verbindung geben könnte, die metallisch leitfähig, superhart und ultra-inkompressibel ist, wurde in der Forschung lange Zeit für unwahrscheinlich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Schwarze Löcher und unser Navi im Kopf: Wissenschaftsshow im Telekom Dome in Bonn

11.07.2019 | Veranstaltungen

8. Technologieforum Fahrerlose Transportsysteme und mobile Roboter des Fraunhofer IPA

09.07.2019 | Veranstaltungen

Intelligente Nanopartikel für die Medizin des 21. Jahrhunderts

05.07.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Schwarze Löcher und unser Navi im Kopf: Wissenschaftsshow im Telekom Dome in Bonn

11.07.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Auf dem Weg zu druckbaren organischen Leuchtdioden

10.07.2019 | Energie und Elektrotechnik

Forschende am Fraunhofer WKI entwickeln nachhaltige Sandwichelemente aus Holzschaum und Textilbeton

10.07.2019 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics