05.12.2012

Forscher zeigen mit Berechnungen, dass kompakte Laser-Plasma-Beschleuniger möglich sind

Ultrakurze Pulse aus kohärentem Röntgenlicht sind ein fantastisches Mittel, um Einsichten in atomare oder molekulare Reaktionen zu gewinnen. In Freien-Elektronen-Lasern können solche Pulse im Femtosekundenbereich (10 -15 sek) erzeugt werden. Doch bislang sind dafür enorme Beschleuniger nötig, die nur an wenigen Großforschungseinrichtungen der Welt zur Verfügung stehen.  An einer kompakteren Alternative arbeitet Dr. Atoosa Meseck vom HZB-Institut für Beschleunigerphysik mit Kollegen aus dem HZB und anderen Forschungseinrichtungen. Nun haben sie einen Bauplan für eine kompakte Quelle für kohärente kurzwellige Strahlung entworfen und berechnet. Dieses Ergebnis veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift "Physical Review".

Das Prinzip klingt ganz einfach: In einem heißen Plasma  erzeugt ein Laserstrahl „Wellen“, die die Elektronen bis auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Allerdings erhalten die so beschleunigten Elektronen damit unterschiedlich viel Energie, so dass die Röntgenpulse, die sie abgeben, nicht kohärent sind.

Andreas Maier vom CFEL bei DESY hat nun mit Meseck und weiteren Kollegen berechnet, wie dieses Problem gelöst werden könnte: Der Schlüssel steckt in der Anordnung der so genannten Undulatoren. Diese Undulatoren bestehen aus einer Reihe von Dipolmagneten, die die Elektronen auf eine Art Slalombahn zwingen. Durch die geschickte Wahl der Abstände und Feldstärken dieser Geräte sowie durch ein geeignetes Elektronenstrahlführungssystem lässt sich  die lokale Energiebandbreite deutlich verringern, so dass die Elektronen nahezu gleiche Energie besitzen und kohärente Röntgenpulse abgeben. Damit haben die Beschleunigerexperten einen Weg zu einem kompakten „Freie-Elektronen-Laser“ aufgezeigt.

„Wir verfolgen die Idee eines Laser-getriebenen Plasma-Beschleunigers schon seit einigen Jahren, zuerst sind wir dafür fast ausgelacht worden. Daher bin ich ganz stolz, dass nun auch andere Experten erkennen, dass dies eine durchaus interessante Idee und wie ich glaube, auch eine machbare Idee ist“, sagt Atoosa Meseck. Auf die Ergebnisse einer experimentellen Arbeitsgruppe, die diese Idee nun überprüfen wird, sind alle Beteiligten sehr gespannt.

Mehr Informationen:

http://prx.aps.org/abstract/PRX/v2/i3/e031019

arö