Eine internationale Gruppe von Forschern hat Elektronen in Heliumgas mithilfe eines kräftigen Laserstrahls auf Energien von etwa 300 Megaelektronenvolt beschleunigt und damit einen neuen Rekord für die auf diesem Prinzip beruhende Teilchenbeschleunigung aufgestellt. Die Studie hat allerdings auch ergeben, dass eine weitere Verstärkung der Leistung des verwendeten Laserstrahls die Qualität des erzeugten Elektronenstrahls verschlechtert.
In dem von Karl Krushelnick vom Imperial College London geleiteten Experiment schossen die Forscher einen hochenergetischen Laserstrahl in ein Heliumgas hinein. Die Energie dieses Strahls war so gewaltig, dass die Heliumatome ionisiert wurden. Somit bildete sich ein Plasma aus positiven Heliumionen und freien Elektronen aus. Dabei verschob der Laserstrahl zusätzlich die Wolke des freien Elektronengases aus seiner Gleichgewichtslage, so dass ein starkes elektrisches Feld innerhalb des Plasmas entstand.
Dieses Feld wiederum beschleunigte die freien Elektronen und erzeugte so einen Strahl von Elektronen mit Energien von bis zu 300 Megaelektronenvolt pro Elektron ? dies entspricht der Energie, die ein einzelnes Elektron beim Durchlaufen einer elektrischen Spannung von 300 Millionen Volt aufnehmen würde.
Die Forscher haben damit den bisherigen Rekord für die Beschleunigung von Teilchen mithilfe des Plasmaprinzips um etwa 30 Prozent erhöht. Allerdings hat ihr Experiment auch ergeben, dass sich der Mechanismus der Beschleunigung in der Umgebung der höchsten erzielbaren Leistungen des Laserstrahls veränderte.
Ab einer Intensität von etwa 10 hoch 20 Watt pro Quadratzentimeter beschleunigte der Strahlungsdruck des Lasers die Elektronen direkt, so Stuart Mangles, ein weiterer Forscher des Teams vom Imperial College London. Leider verschlechterte sich dadurch die Qualität des erzeugten Elektronenstrahls drastisch. Es sei daher nicht ausreichend, einfach nur die Leistung der in Plasmabeschleunigern verwendeten Laserstrahlen weiter zu erhöhen, um immer energetischere Elektronen zu erzeugen, schließen die Forscher. Sie hoffen allerdings, dass das Zusammenspiel von Computersimulationen und Experimenten neue Wege jenseits dieser natürlichen Beschleunigungsgrenze aufzeigen wird.
Im Gegensatz zu herkömmlichen, auf Kombinationen von starken magnetischen und elektrischen Feldern in oft kilometerlangen Vakuumröhren beruhenden Teilchenbeschleunigern sind Plasmabeschleuniger relativ kompakt und könnten somit in Zukunft möglicherweise in gewöhnlichen Laborräumen eingesetzt werden. Zur Erzeugung der enormen elektrischen Felder im Plasma ist allerdings ein starker Laserstrahl vonnöten. Die Forscher benutzten daher nichts geringeres als den leistungsstärksten Laser der Welt ? den Vulcan Petawatt Laser des Rutherford Appleton Laboratoriums bei Oxford.
Physical Review Letters, Band 94, Artikel 245001
Stefan Maier
