Forscher in den USA haben ein neues laserbetriebenes Gerät entwickelt, das Elektronen über Entfernungen von etwa einem Millimeter einschließen und beschleunigen kann. Durch die Kombination von Fortschritten in den Bereichen Nanowissenschaften, Laser und Vakuumtechnologie Payton Broaddus und Kollegen an der Stanford University geben an, den bislang leistungsstärksten dielektrischen Laserbeschleuniger (DLA) entwickelt zu haben.
Ein nützlicher Beschleuniger muss nicht nur geladene Teilchen wie Elektronen auf hohe kinetische Energien treiben, sondern auch in der Lage sein, die Teilchen in einem schmalen Strahl einzuschließen. Darüber hinaus muss der Strahl möglichst monoenergetisch sein.
In modernen Anlagen erfolgt dies meist über Hochfrequenz-Hohlräume (RF), die mit Kupfer oder neuerdings auch mit einem Supraleiter wie Niob beschichtet sind. Wenn diese Resonanzhohlräume durch starke HF-Signale angetrieben werden, entwickeln sie sehr hohe Spannungen, die Teilchen auf ganz bestimmte Energien beschleunigen. Es gibt jedoch physikalische Grenzen für die maximal erreichbaren Teilchenenergien, die auf diese Weise erreicht werden können.
„Wenn die elektromagnetischen Felder zu groß werden, kann dies zu Schäden an den Wänden des Hohlraums führen, wodurch die Maschine zerstört wird“, erklärt Broaddus. „Dies stellt derzeit eine wesentliche Einschränkung aller herkömmlichen Beschleuniger dar und begrenzt den sicheren Beschleunigungsgradienten auf mehrere zehn Megaelektronenvolt pro Meter.“ Tatsächlich ist dies der Hauptgrund dafür, dass Beschleuniger immer größer und teurer werden, um höhere Teilchenenergien zu erreichen.
Alternative Beschleunigerdesigns
Um kompaktere Geräte zu schaffen, erforschen Forscher weltweit verschiedene alternative Beschleunigertechnologien mit dem Ziel, den höchstmöglichen Beschleunigungsgradienten auf kürzester Distanz zu erreichen.
Eine vielversprechende Technologie ist die DLA, die erstmals in den 1950er Jahren entwickelt wurde. Anstatt ein HF-Signal auf einen leitenden Hohlraum zu richten, wird bei einer DLA ein Laser über einen winzigen Kanal in einem dielektrischen Material abgefeuert. Dadurch entsteht ein elektrisches Wechselfeld innerhalb des Kanals, der als Resonanzhohlraum fungiert. Durch die Optimierung der Nanostruktur des Hohlraums und den sorgfältigen Zeitpunkt, wann Elektronen durch den Kanal geschickt werden, werden die Partikel beschleunigt.
Während die Physik dieses Aufbaus im Großen und Ganzen konventionelleren Beschleunigerkonstruktionen ähnelt, bietet er einen wesentlich höheren Beschleunigungsgradienten. Damit ließe sich die Größe von Beschleunigern verkleinern – zumindest im Prinzip.
„Die Felder, die diese Dielektrika von Lasern überstehen können, sind ein bis zwei Größenordnungen höher als die, die Kupfer von HF-Wellen bewältigen kann, und können daher theoretisch einen um ein bis zwei Größenordnungen höheren Beschleunigungsgradienten aufweisen“, erklärt Broaddus. Allerdings weist er darauf hin, dass eine Verkleinerung der Breite des Hohlraums um sechs Größenordnungen Herausforderungen mit sich bringt – unter anderem, wie man die Elektronen in einem Strahl einschließt und verhindert, dass sie gegen die Wände des Hohlraums prallen.
Nun haben Broaddus und Kollegen diese Herausforderung angegangen, indem sie auf drei technologische Fortschritte zurückgegriffen haben. Dabei handelt es sich um die Fähigkeit, sehr präzise Halbleiter-Nanostrukturen zu erzeugen; die Fähigkeit, helle, kohärente Femtosekunden-Laserpulse mit stabilen Wiederholungsraten zu erzeugen; und die Fähigkeit, ein Ultrahochvakuum in millimeterlangen Halbleiterhohlräumen aufrechtzuerhalten.
Neue Nanostrukturen und Pulse
Durch die sorgfältige Gestaltung der Nanostrukturen und den Einsatz speziell geformter Laserpulse konnte das Team in seinem neuen Hohlraum elektrische Felder erzeugen, die Elektronen zu einem Strahl bündeln.
Dadurch konnte das Team einen begrenzten Elektronenstrahl über eine Distanz von 0.708 mm beschleunigen und seine Energie um 24 keV steigern. „Dies bedeutet eine Steigerung beider Leistungsmerkmale im Vergleich zu früheren Beschleunigern um eine Größenordnung“, erklärt Broaddus.
Accelerator-on-a-Chip, erstellt durch Inverse-Design-Algorithmus
Basierend auf ihrer neuesten Errungenschaft ist das Team zuversichtlich, dass DLAs die Fähigkeit von Forschern, subrelativistische Elektronenenergien zu erreichen, erheblich verbessern könnten. „DLAs können jetzt als echte Beschleunigertechnologie behandelt werden, bei der wir traditionelle Beschleunigerparameter aus unseren Geräten extrahieren und die mit anderen Beschleunigertechnologien verglichen werden können“, erklärt Broaddus.
Diese Verbesserungen könnten wiederum den Weg für neue Entdeckungen in der Grundlagenphysik ebnen und möglicherweise sogar neue Vorteile in Bereichen wie der Industrie und der Medizin bieten.
Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.
- SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
- PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
- PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
- PlatoESG. Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
- PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
- Quelle: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/
