Physiker schrumpfen Teilchenbeschleuniger: Prototyp demonstriert Machbarkeit des Aufbaus von Terahertz-Beschleunigern | 2020

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Anonim

Terahertzstrahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarotstrahlung und Mikrowellen. Teilchenbeschleuniger sind normalerweise auf elektromagnetische Strahlung aus dem Hochfrequenzbereich angewiesen. Der DESY-Teilchenbeschleuniger PETRA III verwendet beispielsweise eine Frequenz von rund 500 Megahertz. Die Wellenlänge der in diesem Experiment verwendeten Terahertz-Strahlung ist etwa tausendmal kürzer. "Der Vorteil ist, dass alles andere auch tausendmal kleiner sein kann", erklärt Kärtner, Professor an der Universität Hamburg und am MIT sowie Mitglied des Hamburger Zentrums für Ultraschnelle Bildgebung (CUI). einer der deutschen Exzellenzcluster.

Für ihren Prototyp verwendeten die Wissenschaftler ein spezielles mikrostrukturiertes Beschleunigermodul, das speziell auf die Verwendung mit Terahertz-Strahlung zugeschnitten ist. Die Physiker schossen mit einer Art Elektronenkanone, die von der Gruppe von CFEL-Professor Dwayne Miller, Direktor am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie und Mitglied der CUI, zur Verfügung gestellt wurde, schnelle Elektronen in das Miniaturbeschleunigermodul. Die Elektronen wurden dann durch die in das Modul eingespeiste Terahertz-Strahlung weiter beschleunigt. Mit diesem ersten Prototyp eines Terahertz-Beschleunigers konnte die Energie der Partikel um sieben Kiloelektronenvolt (keV) erhöht werden.

"Dies ist keine besonders große Beschleunigung, aber das Experiment zeigt, dass das Prinzip in der Praxis funktioniert", erklärt Mitautor Arya Fallahi von CFEL, der die theoretischen Berechnungen durchgeführt hat. "Die Theorie zeigt, dass wir in der Lage sein sollten, einen Beschleunigungsgradienten von bis zu einem Gigavolt pro Meter zu erreichen." Dies ist mehr als das Zehnfache, was mit den derzeit besten konventionellen Beschleunigermodulen erreicht werden kann. Die Plasmabeschleunigertechnologie, die sich derzeit ebenfalls im Versuchsstadium befindet, verspricht noch höhere Beschleunigungen, erfordert jedoch auch deutlich leistungsstärkere Laser als die für Terahertz-Beschleuniger erforderlichen.

Die Physiker betonen, dass die Terahertz-Technologie sowohl im Hinblick auf zukünftige Linearbeschleuniger für den Einsatz in der Teilchenphysik als auch für den Bau kompakter Röntgenlaser und Elektronenquellen für die Materialforschung sowie für medizinische Anwendungen mit X von großem Interesse ist und Elektronenstrahlung. "Die rasanten Fortschritte, die wir in der Terahertz-Generation mit optischen Methoden sehen, werden die zukünftige Entwicklung von Terahertz-Beschleunigern für diese Anwendungen ermöglichen", sagt der Erstautor Emilio Nanni vom MIT. Das CFEL-Team in Hamburg plant, in den kommenden Jahren einen kompakten, experimentellen Röntgenlaser (XFEL) mit Terahertz-Technologie im Labormaßstab zu bauen. Dieses Projekt wird durch einen Synergy Grant des European Research Council unterstützt.

Sogenannte Freie-Elektronen-Laser (FELs) erzeugen Laserlichtblitze, indem sie Hochgeschwindigkeitselektronen von einem Teilchenbeschleuniger auf einem wellenförmigen Pfad senden, wobei diese jedes Mal Licht aussenden, wenn sie abgelenkt werden. Dieses Prinzip wird auch vom Röntgenlaser European XFEL angewendet, der derzeit von einem internationalen Konsortium gebaut wird und vom DESY-Campus in Hamburg bis zum schleswig-holsteinischen Nachbarort Schenefeld reicht. Die gesamte Anlage wird mehr als drei Kilometer lang sein.

Der experimentelle XFEL mit Terahertz-Technologie wird voraussichtlich weniger als einen Meter lang sein. "Wir erwarten, dass diese Art von Gerät viel kürzere Röntgenpulse erzeugt, die weniger als eine Femtosekunde dauern", sagt Kärtner. Da die Impulse so kurz sind, erreichen sie eine vergleichbare Spitzenhelligkeit wie bei größeren Anlagen, auch wenn jeder Impuls deutlich weniger Licht enthält. "Mit diesen sehr kurzen Impulsen erhoffen wir uns neue Einblicke in extrem schnelle chemische Prozesse, wie sie beispielsweise bei der Photosynthese eine Rolle spielen."

Die Entwicklung eines detaillierten Verständnisses der Photosynthese würde die Möglichkeit eröffnen, diesen effizienten Prozess künstlich umzusetzen und so eine immer effizientere Umwandlung von Sonnenenergie und neue Wege zur CO2-Reduktion zu erschließen. Darüber hinaus interessieren sich Forscher für zahlreiche andere chemische Reaktionen. Kärtner betont: "Die Photosynthese ist nur ein Beispiel für viele mögliche katalytische Prozesse, die wir untersuchen möchten." Der kompakte XFEL kann möglicherweise auch zum Aussäen von Impulsen in Großanlagen verwendet werden, um die Qualität ihrer Impulse zu verbessern. Bestimmte medizinische Bildgebungstechniken könnten auch von den verbesserten Eigenschaften der neuen Röntgenquelle profitieren.