Physiker entwickeln Mini-Teilchenbeschleuniger

Ein Forscherteam hat den ersten Prototyp eines Miniatur-Teilchenbeschleunigers gebaut, der mit Terahertzstrahlung arbeitet – anstelle von Hochfrequenzstrahlung. Ein einzelnes Beschleunigungsmodul ist 1,5 Zentimeter lang und einen Millimeter dünn. Von der Terahertztechnik verspricht sich das Team um Franz Kärtner vom Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg eine Miniaturisierung um den Faktor 100. Sie stellen ihren Prototyp im Fachblatt „Nature Communications“ vor. Für kompakte Terahertzbeschleuniger sehen die Autoren Anwendungen in Materialforschung, Medizin, Teilchenphysik sowie bei Röntgenlasern.

Terahertzstrahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen. Üblicherweise wird in Teilchenbeschleunigern elektromagnetische Strahlung im Hochfrequenzbereich von Radiowellen verwendet. Die Wellenlänge der hier verwendeten Terahertzstrahlung ist etwa tausendmal kürzer. Für den Prototyp verwendeten die Forscher ein spezielles, mikrostrukturiertes Beschleunigermodul, das für Terahertzstrahlung geeignet ist. Aus einer Art Elektronenkanone schossen die Physiker schnelle Elektronen in das Miniatur-Beschleunigermodul, die dort von der eingespeisten Terahertzstrahlung weiter beschleunigt wurden. Die Energie der Teilchen erhöhte sich dadurch um sieben Kiloelektronenvolt.

„Diese Beschleunigung ist noch nicht sehr stark, aber der Versuch belegt, dass dieses Prinzip in der Praxis funktioniert“, sagt Mitautor der Studie Arya Fallahi. „Die Theorie zeigt, dass ein Beschleunigungsgradient von bis zu einem Gigavolt pro Meter möglich ist.“ Das liegt mehr als zehn Mal über dem Wert, den die besten konventionellen Beschleunigermodule heute erreichen. Eine noch stärkere Beschleunigung verspricht die ebenfalls experimentelle Plasmabeschleunigertechnik, die allerdings auch deutlich stärkere Laser zum Betrieb erfordert als Terahertzbeschleuniger.

Die Terahertztechnik sei sowohl für künftige Linearbeschleuniger, als auch für den Bau kompakter Röntgenlaser und Elektronenquellen interessant, schreiben die Physiker. In den kommenden Jahren möchten die Physiker auf Terahertzbasis einen experimentellen kompakten Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) im Laborformat aufbauen. Freie-Elektronen-Laser erzeugen Laserblitze, indem sie schnelle Elektronen aus einem Teilchenbeschleuniger auf einen Slalomkurs schicken, wobei sie in jeder Kurve Licht abgeben.

Nach diesem Prinzip arbeitet auch der Europäische Röntgenlaser European XFEL, der derzeit von Hamburg bis ins benachbarte Schenefeld in Schleswig-Holstein gebaut wird. Diese Anlage ist mehr als drei Kilometer lang. Der experimentelle XFEL auf Basis der Terahertz-Technik soll dagegen nicht einmal einen Meter messen. Allerdings werden seine Blitze nicht so energiereich sein wie aus einer großen Anlage. Dafür lassen sie sich kürzer machen und könnten dadurch in der Spitze kurzzeitig fast dieselbe Helligkeit erreichen. „Von so einem Gerät erwarten wir deutlich kürzere Röntgenpulse von unter einer Femtosekunde“, sagt Kärtner. „Damit erhoffen wir uns neue Einblicke in extrem schnelle chemische Prozesse wie zum Beispiel die Photosynthese.“ Der kompakte Röntgenlaser soll sich grundsätzlich auch eignen, um Pulse in großen Anlagen auszulösen und dadurch deren optische Qualität zu verbessern. Außerdem könnten bestimmte medizinische Abbildungsverfahren von den verbesserten Eigenschaften der neuen Röntgenquelle profitiere