14.10.2015

Prototyp demonstriert Machbarkeit von Terahertz-Beschleunigern

Ein interdisziplinäres Forscherteam hat den ersten Prototyp eines Miniatur-Teilchenbeschleunigers gebaut, der mit Terahertz- anstelle von Hochfrequenz-Strahlung arbeitet. Ein einzelnes Beschleunigungsmodul ist dabei nur 1,5 cm lang und 1 mm dünn. Solche kompakte Terahertz-Beschleuniger könnten künftig für Anwendungen in der Materialforschung, der Medizin und Teilchenphysik sowie bei Röntgenlasern eingesetzt werden, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Communication».

Üblicherweise wird in Teilchenbeschleunigern elektromagnetische Strahlung im Hochfrequenzbereich von Radiowellen verwendet. Der Desy-Beschleuniger Petra III arbeitet beispielweise mit einer Frequenz von 500 Megahertz. Emilio Nanni vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) und seine Kollegen haben nun den Prototyp eines Teilchenbeschleunigers entwickelt, der mit Terahertz-Strahlung funktioniert. Deren Wellenlängen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen und sind damit rund tausendmal kürzer als die Radiowellen der bisherigen Synchrotrone. Der Vorteil: «Alles wird tausendmal kleiner», erläuterte Franz Kärtner vom MIT.

Für ihren Prototyp verwendeten die Forscher ein spezielles, mikrostrukturiertes Beschleunigermodul. Aus einer Art Elektronenkanone schossen die Physiker schnelle Elektronen in das Miniatur-Beschleunigermodul, die dort von der eingespeisten Terahertz-Strahlung weiter beschleunigt wurden. Die Energie der Teilchen erhöhte sich in diesem ersten Prototyp eines Terahertz-Beschleunigers um sieben Kiloelektronenvolt (keV). «Diese Beschleunigung ist noch nicht sehr stark, aber der Versuch belegt, dass dieses Prinzip in der Praxis funktioniert», erläuterte Koautor Arya Fallahi vom Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), der für die theoretischen Berechnungen zuständig war. «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 Plasmabeschleuniger-Technik, die allerdings auch deutlich stärkere Laser zum Betrieb erfordert als Terahertz-Beschleuniger.

Die Terahertz-Technik sei sowohl im Hinblick auf künftige Linearbeschleuniger für die Teilchenphysik interessant, als auch für den Bau kompakter Röntgenlaser und Elektronenquellen für die Materialforschung sowie für die medizinische Anwendung von Röntgen- und Elektronenstrahlen, schreiben die Physiker. «Die rasanten Fortschritte, die wir bei der Erzeugung von Terahertz-Strahlung mit optischen Methoden erleben, werden künftig die Entwicklung von Terahertz-Beschleunigern für diese Anwendungen ermöglichen», betonte Erstautor Nanni.

In den kommenden Jahren möchten die Physiker am CFEL auf Terahertz-Basis einen ersten kompakten Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) im Laborformat aufbauen. Dieses Projekt wird von einem Synergy Grant des European Research Council unterstützt.

Passt problemlos in eine Hand: Prototyp des neuen Beschleunigermoduls auf Terahertzbasis.
Quelle: Desy / Heiner Müller-Elsner
Quelle: 
M.A. nach Desy, Medienmitteilung, 6. Oktober 2015, und Nanni E.A. et al., Terahertz-driven linear electron acceleration. In: Nature Communications, 2015, DOI: 10.1038/NCOMMS9486