Wakefield-Beschleuniger

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P_E_T_E_R

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Schon seit mehreren Jahrzehnten gibt es auf Fachkonferenzen für Teilchenbeschleuniger regelmäßig Vorträge zum Wakefield Plasma Accelerator, welcher anstelle konventioneller Technik mit kilometerlangen Beschleunigungsstrecken so etwas auf einer Miniaturstrecke von nur wenigen Metern zu leisten verspricht. Wenn das so ist, warum betreibt man dann die Teilchenbeschleuniger immer noch mit konventioneller Technik, und was ist überhaupt der Unterschied in den Methoden?

Eine konventionelle Beschleunigungsstrecke beschleunigt geladene Teilchen in speziellen Radiofrequenzresonatoren (RF cavities), seit einiger Zeit auch in supraleitender Ausführung, wobei die geladenen Teilchen wie ein Surfer beim Wellenreiten von einer fortschreitenden elektromagnetischen Welle bewegt werden. Diese e/m-Wellen werden in sog. Klystrons erzeugt. Der Beschleunigungsgradient dieser Technik beträgt maximal 100 MV/m, weil höhere Feldstärken zu Feldemission und zum elektrischen Durchbruch führen.

Beim Wakefield-Beschleuniger (auf deutsch auch Kielfeld-Beschleuniger) gibt es keine derartige Begrenzung für den Gradienten. Die fortschreitende elektromagnetische Welle zur Beschleunigung geladener Teilchen wird dabei von einem Laserstrahl in einem Gasplasma in einer sehr dünnen Glaskapillare erzeugt. Alternativ wurden auch schon Elektronen- und Protonenstrahlen verwendet. Dabei können riesige Gradienten von TV/m (Tera-Volt/m) auftreten. Die Herausforderung ist dabei, nicht nur hohe Bescheunigungsgradienten zu erreichen, sondern auch eine Wechselwirkung der beschleunigten Teilchen mit dem Plasma zu minimieren. Dies hat man nun mit einem weiteren Hilfslaser erreicht, welcher vorab quasi einen Tunnel mit reduzierter Gasdichte in das Plasma schießt, in dem sich der Elektronenstrahl dann ausbreiten kann.

Shooting Ahead with Wakefield Acceleration

Petawatt Laser Guiding and Electron Beam Acceleration to 8 GeV in a Laser-Heated Capillary Discharge Waveguide

Im Prinzip könnte man damit sehr viel kompaktere Beschleuniger realisieren. Bis dahin sind aber noch sehr viele Hürden zu überwinden. Man hat jetzt erstmals auf einer kurzen Strecke von 20 cm eine Beschleunigung von Elektronen auf eine Energie von 8 GeV erreicht. Man ist noch weit entfernt von einer praktischen Performance, aber es ist ein vielversprechender Fortschritt.
 
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