Schnell auf Tempo. In sogenannten Plasmazellen werden Plasmen erzeugt und eingeschlossen, um Elektronen auf einer sehr kurzen Strecke zu beschleunigen. Bild: Lawrence Berkeley National Laboratory/Marilyn Chung

Extrem

Der kompakteste Teilchenbeschleuniger

Bisher müssen Teilchenbeschleuniger mehrere hundert Meter lang sein, um hohe Leistungen zu erreichen. Dass es auch eine Nummer kleiner geht, haben Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA  gezeigt- und Erstaunliches mit einem nur 20 Zentimeter langen Plasmabeschleuniger geschafft.

Stellen Sie sich 8,5 Billionen 100-Watt-Glühbirnen vor, die alle gleichzeitig leuchten. Diese Leistung hat ein lediglich 20 Zentimeter langer Plasma-Teilchenbeschleuniger erbracht. Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA beschleunigten in einer 0,8 Millimeter breiten und hauchdünnen Röhre Wasserstoffgas-Elektronen auf rund 7,8 Milliarden Elektronenvolt. Für diesen Wert benötigen moderne, konventionelle Teilchenbeschleuniger mehrere hundert Meter Länge.

Die Wissenschaftler schafften dieses Kunststück, indem sie eine andere Methode nutzten. Herkömmliche Teilchenbeschleuniger arbeiten mit Radiowellen, um beispielsweise Elektronen immer schneller voranzutreiben. Je höher die Teilchenenergie sein soll, desto größer müssen auch die Anlagen sein – und somit teurer. Bei der Laser-Plasmabeschleunigung hingegen pflügt ein kurzer, heller Laserpuls durch ein Plasma. Wie ein Schnellboot auf einem See erzeugt der Laserpuls kräftige Heckwellen in seiner Bahn. Diese Plasmawellen können Teilchen viele hundert Male stärker beschleunigen als konventionelle Beschleuniger.

Teilchenbeschleuniger sind in vielen Bereichen unverzichtbare Werkzeuge – von der Forschung über die Industrie bis zur Medizin. Auch wenn bei der Plasmabeschleunigung noch zahlreiche Herausforderungen gemeistert werden müssen, stelle sie die Weichen für günstigere und vor allem drastisch kleinere Teilchenbeschleuniger sowie neue Anwendungen, erklärt DESY-Forscher Wim Leemans. „Die Entwicklung stabiler Plasmabeschleuniger mit einer Energie von etwa zehn Giga-Elektronenvolt markiert einen Meilenstein auf dem Weg vom Labor zu ersten Anwendungen.“

Wim Leemans war zuvor Leiter des Berkeley Lab Laser Accelerator Centers (BELLA) und ist heute Beschleunigerdirektor am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, wo er die Methode weiterentwickeln möchte. „Zusammen mit anderen Verfahren zur Kontrolle von Beschleunigung, Strahlstabilität und -qualität, die es bei DESY bereits gibt, wird dies kompakte Elektronenquellen möglich machen.“

26.04.2019 , Annette Doerfel

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