entdeckt_01_2016

TITEL // DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 04 05 stoffkerne mit Rekordenergien aufeinanderprallen, um die Welt der elementaren Materiebausteine zu erkunden. Große Elektronenbeschleuniger wie PETRA III am DESY in Hamburg erzeugen extrem intensives Röntgenlicht, mit dem sich Werk- stoffe und Biomoleküle unter die Lupe nehmen lassen. Und in Kliniken benötigt man Beschleuniger für die Strahlentherapie – eine der wesentlichen Behandlungsmethoden gegen Krebs. Plasmaschub statt Wellenreiten Alle diese Anlagen basieren auf der Beschleunigung mit Radiowellen: Starke Sender speisen intensive Radiowellen in einen „Resonator“ ein – ein röhrenartiges Vakuumgefäß, in dem sich die Wellen optimal ausbreiten können. Durchfliegt ein elektrisch geladenes Teilchen diesen Resonator, kann es wie ein Surfer auf der Welle reiten und zusätzlichen Schwung aufnehmen. Doch das Konzept hat seine Grenzen: „Damit lassen sich die Teilchen nur bis zu einem gewissen Grad beschleunigen“, erläutert Arie Irman. „Man kann immer nur eine gewisse Maximalintensität an Radiowellen in einen Resonator einspei- sen, sonst bricht das Feld zusammen.“ Das bedeutet: Um eine angestrebte Energie zu erreichen, muss man mehrere Reso- natoren hintereinanderschalten. Dadurch können die Anlagen sehr groß werden: So misst der Beschleuniger des demnächst fertiggestellten Europäischen Röntgenlasers (European XFEL) etwa 3,4 Kilometer. Irman und Zeil tüfteln an einer Alternative, die mit deutlich weniger Platz auskommt – der Laserplasma-Beschleunigung. „Sie verspricht eine viel größere Effizienz“, sagt Karl Zeil. „Bei ihr können die Beschleunigungsfelder um Größenordnungen höher sein als bei den heutigen Resonatoren.“ Das Prinzip: Ultrastarke Laserblitze feuern auf ein Material. Die Wucht des Lichtpulses entreißt den Atomen die Elektronen, wodurch ein Plasma entsteht – ein ionisierter Materiezustand, der überaus heiß sein kann. Mit einem Laserpuls kann im Plasma innerhalb eines winzigen Sekundenbruchteils ein extrem starkes elektrisches Feld erzeugt werden. Dieses Feld kann Elektronen oder Ionen in Nullkommanichts nahezu auf Lichtgeschwindigkeit bringen. „Das Verfahren ist noch neu“, erzählt Irman. „Erst 2004 konn- ten Experimente in den USA und in Europa zeigen, dass man Elektronenpakete mit einem Laserplasma auf eine Energie von einigen hundert Megaelektronenvolt (MeV) bringen kann – und zwar auf einer Strecke von wenigen Millimetern!“ Sprintrekord für Elektronen Heute steht der Rekord auf 4.000 MeV bei einer Beschleuni- gungsstrecke von knapp sieben Zentimetern. Zum Vergleich: Ein herkömmlicher Linearbeschleuniger müsste, um dieselbe Energie zu erreichen, eine Länge von einigen hundert Metern haben. Bei den Arbeiten in Dresden geht es jedoch nicht um neue Energierekorde. Das Ziel von Irman und seinem Team ist TEUER: Der Titan-Saphir-Kristall in der rechten Bildmitte hat einen Durch- messer von 12 Zentimetern. Mit seiner Hilfe lässt sich die Leistung des rund 10 Zentimeter dicken Laserstrahls deutlich steigern. Foto: Oliver Killig

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