Vom Laserblitz zum Teilchenstrahl

Derzeit stehen am DESY in Hamburg die modernsten Quellen für brillante Röntgenstrahlung. Neben PETRA III gehören dazu der Röntgenlaser European XFEL und der Freie-Elektronen-Laser FLASH. Dieser war weltweit die erste Anlage, die aus der Strahlung freier Elektronen weiche – also vergleichsweise langwellige – Röntgenstrahlung mit Lasereigenschaften erzeugen konnte. Heute produziert die über 300 Meter lange Anlage weiche Röntgenstrahlung für sieben Experimentierstationen.

Mit den Erkenntnissen aus dem Betrieb von FLASH wurde der European XFEL gebaut. Dazu gehört eine 3,4 Kilometer lange Anlage (der eigentliche Linearbeschleuniger ist kürzer), in der Elektronen auf eine Energie von bis zu 17 Gigaelektronenvolt (GeV, Milliarden eV) beschleunigt werden. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron besitzt, nachdem es mit einer Spannung von einem Volt beschleunigt wurde, und ist eine in der Teilchenphysik gebräuchliche Einheit für die Energie. Die beschleunigten Elektronen durchlaufen dann eine Strecke, entlang der starke Magneten die Elektronen ablenken. Die Teilchen geben dabei Lichtpulse mit Frequenzen im Röntgenbereich ab.

Die Strahlen dienen dazu, kleinste Strukturen in der Natur möglichst scharf und häufig auch zeitaufgelöst abzubilden. Die Liste der damit untersuchten Objekte und Vorgänge ist lang. Sie reicht von neuen Viren bis zu Schweißprozessen an elektronischen Bauteilen für Elektrofahrzeuge. Die Elektronenstrahlen und danach die Röntgenstrahlen sollen dafür möglichst brillant sein, das heißt: räumlich fokussiert und mit einem sehr schmalen Frequenzspektrum. Um das zu erreichen, nutzen die Beschleuniger unter anderem supraleitende Beschleunigerstrukturen sowie eine aufwendige und schnelle Elektronik zur Steuerung der Anlage.

Elektronen lernen das Surfen

Ein Mann, der sich seit Jahrzehnten um die Entwicklung neuer Strahlungsquellen verdient gemacht hat, ist Wim Leemans. 2019 wechselte der Spitzenforscher vom Lawrence Berkeley Laboratory in Kalifornien nach Hamburg. Als Direktor des Bereichs Beschleuniger am DESY ist er für die aktuellen Strahlquellen sowie die Planung der nächsten Generation solcher Anlagen verantwortlich.

Für die Entwicklung kleinerer Beschleuniger bringt Wim Leemans Erfahrungen auf einem ganz speziellen Gebiet mit: der laserbasierten Teilchenbeschleunigung in Plasmen. Technologisch ist dieses Gebiet noch nicht so weit fortgeschritten wie die der etablierten Beschleunigeranlagen, aber es hat einen entscheidenden Vorteil: Es ermöglicht sehr kompakte Baugrößen. „Wir haben Elektronen mit einem nur 20 Zentimeter langen Plasma auf 8 GeV beschleunigt“, berichtet Leemans von den Erfolgen seines Teams in Kalifornien.

Der Effekt dahinter ist erstaunlich: Die Elektronen surfen im Plasma. Plasma ist ein Materiezustand, bei dem Elektronen und Atomrümpfe voneinander getrennt sind und wie die Moleküle in einem Gas umherfliegen. Durchquert ein Laserpuls ein solches Plasma, verändert er lokal die Elektronendichte. Dort, wo das Licht eine hohe Intensität besitzt, werden die Elektronen weggedrückt – hin zu den Knotenpunkten der Welle, wo die Intensität null ist. Die Folge: Die Lichtwelle erzeugt eine Plasmawelle.

Der Laserpuls zieht die Plasmawelle hinter sich her, beide sind also gleich schnell. Die Elektronen aus dem Plasma werden von diesen Wellen mitgezogen und dadurch auf eine enorme Geschwindigkeit beschleunigt. Weil sich das Licht in einem Medium ausbreitet, entspricht die Geschwindigkeit des Laserpulses nicht genau der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde, aber sie ist nahe dran. Ebenso schnell bewegen sich die Plasmawelle und die Elektronen, die auf der Plasmawelle surfen.

1000-fach stärkere Beschleunigung

Im englischen Fachjargon trägt diese Methode die Bezeichnung Laser Wake Field Acceleration (LWFA), manchmal wird sie auch Laser-Plasma Acceleration (LPA) genannt. Sie ermöglicht es, Elektronen mit starken und kurzen Laserpulsen zu beschleunigen. Die Elektronen kommen dabei weitaus schneller auf eine hohe Energie als in klassischen Beschleunigern. Die möglichen Energien reichen bis in den GeV-Bereich – und werden auf einer Distanz von wenigen Zentimetern erreicht. Die Beschleunigung im Plasma ist damit etwa 1000-mal so stark wie in herkömmlichen Beschleunigern.

Nachteilig ist jedoch bislang, dass die so auf Touren gebrachten Elektronen noch leicht unterschiedliche Energien haben und nicht so scharf gebündelt sind wie nach der Beschleunigung in einem Synchrotron. Und natürlich surfen die Elektronen nicht ewig auf einer Welle, schon nach kurzer Zeit sind sie nicht mehr mit der Welle im Gleichtakt.

Plasmawellen lassen sich auch auf anderen Wegen herstellen, zum Beispiel mit einem Elektronenstrahl. Das machen Forscher in Experimenten am SLAC in Stanford sowie am FLASH in Hamburg. Es gelingt außerdem über Protonenstrahlen, wie Wissenschaftler am CERN gezeigt haben. Beide Varianten haben ihre Vorteile, setzen aber noch große Beschleuniger voraus. Die laserbasierte Beschleunigung ermöglicht aktuell den kleinsten Aufbau und steht deshalb besonders im Fokus der Physiker.

Verbindung zweier Welten

In Hamburg beschäftigt sich eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Andreas Maier mit der Laser-Plasmabeschleunigung. Als Laserexperte in der Beschleunigerphysik verbindet er zwei Welten miteinander, die sonst selten zusammenkommen – und das sehr zum beiderseitigen Vorteil. „Für unsere Plasmabeschleuniger haben wir Designrichtlinien von unseren Kollegen adaptiert, die die großen Maschinen bauen“, berichtet Maier. „Wir benutzen dasselbe Kontrollsystem und dieselbe Elektronik.“

Das hilft, denn die Kollegen von den großen Beschleunigern haben viele Probleme schon gelöst. Andererseits stellen sie die Laserphysiker auch vor einige Herausforderungen: Für das nächste Upgrade des PETRA-Systems, PETRA IV, ist ein laserbasierter Injektor geplant. Ein Laserplasma soll also Elektronen beschleunigen und in den Beschleunigerring einspeisen. Dafür müssen bestimmte Anschlussbedingungen erfüllt werden: Die Elektronenpakete aus dem Laserinjektor sollen bei Energie, Divergenz, Bandbreite und Repetitionsrate exakt zum großen System passen.

„Deshalb arbeiten wir schon jetzt an einem Prototyp-Experiment“ sagt Andreas Maier. „In den nächsten drei bis vier Jahren wollen wir einen Injektor bauen, der an PETRA III erprobt wird.“ Die Basis dafür ist ein neues Lasersystem in Hamburg, genannt KALDERA.

Ein hochmodernes Lasersystem

Als eines der modernsten Hochleistungslasersysteme bietet KALDERA nicht nur die extreme Spitzenleistung von 100 Terawatt, sondern vor allem eine relativ hohe Wiederholrate der Lichtpulse von 100 Hertz. „Aktuell nehmen wir die einzelnen Verstärkerstufen in Betrieb“ berichtet Maier. Zum Jahresende 2024 soll das ganze System in einer ersten Ausbaustufe laufen und ab 2025 erste Elektronenstrahlen erzeugen. Voll ausgebaut ist KALDERA für Pulse mit 3 Joule Energie und 30 Femtosekunden Dauer bei einer Repetitionsrate von bis zu einem Kilohertz konzipiert.

Die vergleichsweise hohe Wiederholrate hat einen entscheidenden Vorteil: „Ab etwa 100 Hertz können wir das System aktiv regeln“, erläutert Maier. Denn im Unterschied zu den klassischen Beschleunigern wird die Beschleunigerstrecke im Plasma mit jedem Laserpuls neu aufgebaut. Das Plasma ist empfindlich, jede noch so kleine Abweichung des Laserpulses oder des Plasmas führt zu anderen Ergebnissen. Deshalb ist eine aktive Regelung, die auch auf kleine Änderungen im resultierenden Elektronenstrahl reagiert, so wichtig.

Dabei hat die Hamburger Gruppe technologisches Neuland betreten. Die Regelung von Laser und Plasmaparametern ist sehr komplex, sodass die Gesamtsteuerung erstmals an eine Künstliche Intelligenz übergeben wurde. Diese findet Parameter, mit denen die Elektronen gleichmäßig optimal beschleunigt werden. Sie führt das System zurück zum Optimum, wenn einmal Abweichungen auftreten.

Enorme Einsparung von Energie

„Der größte Vorteil liegt in der insgesamt deutlich kompakteren Anlage“ sagt Maier. Dadurch lässt sich enorm viel Energie sparen. „Der eigentliche Beschleuniger benötigt ja nur einen Teil der Energie, eine Menge Energie geht auch in den Betrieb des Gebäudes, zum Beispiel in die Klimatisierung.“ Wim Leemans hatte in einem Interview 2023 geschätzt, dass ein optimal ausgelegter Laserbeschleuniger etwa zehn Prozent der Energie eines klassischen Beschleunigers verbrauchen würde.

Ein anderer Vorteil ergibt sich aus der Weiterentwicklung der Laserplasmaphysik. In den letzten Jahren wurden in Versuchen mit immer stärkeren Lasersystemen große Fortschritte beim Erzeugen verschiedener Arten von Strahlung erzielt. Neben Röntgen- und Elektronenstrahlen wurden dabei auch Protonen- und Neutronenstrahlen hervorgebracht. Die meisten dieser Experimente basieren auf der LPA-Methode. Damit ist klar, dass eine präzise Kontrolle der Laserplasmabeschleunigung von Elektronen, wie sie in Hamburg entwickelt wird, die Tür zu anderen Strahlquellen öffnet. Da dabei jeweils der Laser die primäre Strahlquelle ist, sprechen die Forscher allgemein von „Secondary Sources“.

Die Anwendungsmöglichkeiten solcher Strahlquellen gehen weit über das Repertoire des DESY hinaus. Protonenstrahlen für die Medizin werden diskutiert, die Durchleuchtung von Atommüllbehältern mit transportablen Neutronenquellen ist im Gespräch, auch mehrere verschiedene Ansätze für die Laserkernfusion basieren auf leistungsfähigen Secondary Sources.

Die Suche nach dem besten Material

Es ist offensichtlich: Die Schlüsselkomponente bei den Secondary Sources ist der Laser. Die Erzeugung von Plasmawellen erfordert äußerst hohe Intensitäten, deshalb sind die Laser dafür auf kurze Pulse und vergleichsweise hohe Energien optimiert. An der Entwicklung der dafür nötigen Laser arbeiten mehrere Unternehmen. Ganz vorn dabei ist Trumpf Scientific Laser, eine Tochterfirma der Ditzinger Trumpf-Gruppe. Sie ist auch an Forschungsprojekten des Teams von Andreas Maier beteiligt. Das Unternehmen forscht an verschiedenen Materialien für den Bau geeigneter Laser, etwa an kristallinem Saphir, der mit Titan- oder Ytterbium-Atomen gespickt ist.

Die Trumpf-Gruppe hat in den letzten Jahren mehrere Firmen mit unterschiedlichen Technologien für die Erzeugung ultrakurzer Laserpulse aufgekauft. Deshalb kann Tom Metzger, der Geschäftsführer von Trumpf Scientific Laser, mit seinem Team auf diverse Kristallgeometrien wie Stab, Scheibe oder Faser zurückgreifen. Damit lassen sich auch hohe Pulsenergien realisieren. Um trotz der geringen Bandbreite auf kurze Pulse zu kommen, nutzen die Trumpf-Experten eine sogenannte Herriott-Zelle. Das ist eine gasgefüllte Zelle, in der ein Laserpuls während mehrerer Umläufe zunehmend phasenmoduliert – also auf bestimmte Weise im Schwingungsmuster seiner einzelnen Lichtwellen verändert – wird und so zu einem breiteren Spektrum kommt. Damit lässt sich der Puls zeitlich auf kürzere Dauern komprimieren, sodass eine höhere Spitzenintensität für die Plasmabeschleunigung zur Verfügung steht.

Für Tom Metzger ist klar: „Mit den neuen Laserquellen und ihrer Anwendung in Secondary Sources ergibt sich ein großer Markt.“ So ist denkbar, dass sich die neuartigen Strahlungsquellen künftig auch in der Zollprüfung von Containern oder der Qualitätssicherung von Elektrobatterien etablieren. Doch vor allem versprechen die aktuellen Entwicklungen enorme Fortschritte in der Grundlagenforschung – sei es beim Bau neuer Teilchenbeschleunigeranlagen oder für die Laserkernfusion. Die dabei bislang erfolgreichen Versuche beruhen auf der Umwandlung von Laserlicht in Röntgenstrahlung. Neuere Konzepte sollen Protonenstrahlen zur Zündung der Fusion einsetzen. Auch dafür könnte die Grundlage die neue Lasertechnik sein.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…