Elektronenbeschleunigung
mit Lasern
Eine Kapilare zur Führung der Plasmawelle
Die Beschleunigung von Elektronen auf relativistische Energien ist eine wichtige Voraussetzung für verschiedene Gebiete der Grundlagenforschung. Beispielsweise werden für Freie-Elektronen-Laser (FEL) im Röntgenbereich Elektronenenergien im GeV-Bereich benötigt. Um mit konventionellen Beschleunigern solch hohe Elektronenenergien zu erreichen, werden relativ große Anlagen benötigt, da die elektrischen Beschleunigungsfelder auf einige 107 V/m begrenzt sind, bevor es zur Zerstörung der Beschleunigerstruktur kommt.
Die Laser-Wakefield-Beschleunigung stellt einen alternativen Mechanismus zur Teilchenbeschleunigung dar. Dabei wird mit Hilfe eines intensiven Laserpulses eine Plasmawelle angeregt, deren elektrische Felder die von konventionellen Beschleunigern um vier bis fünf Größenordnungen übersteigen. Anschließend können die in diese Welle eingebrachten Elektronen innerhalb von kurzen Distanzen auf hohe Energien beschleunigt werden.
Die Qualität der laserbeschleunigten Elektronen hat sich in den letzten Jahren stark verbessert. So wurden 2004 die ersten quasi-monoenergetischen Elektronenpulse gemessen und zwei Jahre später die ersten Elektronen im GeV-Bereich. Dennoch müssen für die Anwendung der laserbeschleunigten Elektronen in weiterführenden Experimenten noch einige Hürden genommen werden. Die Maximalenergie, Richtung und Ladung der Pulse schwanken noch zu stark.
Ein Ziel unserer Gruppe ist es, die Wechselwirkung der intensiven Laserpulse mit dem Plasma im Detail zu untersuchen. Dazu nutzen wir zeitauflösende, optische Methoden. Auf diese Weise können viele Kenngrößen des Beschleunigungsprozesses gemessen werden, wodurch direkte Einblicke in den Vorgang erlangt werden können. Es wurde beispielsweise erstmals die sogenannte "plasma bubble" beobachtet, die eine wesentliche Grundlage für die Erzeugung monoenergetischer Elektronenpulse mit Lasern ist.
Schattenbild/Polarogramm der Plasmawelle
Abb. 1: Schattenbild/Polarogramm der Plasmawelle aufgenommen mit dem JETi40 Lasersystem am Institut für Optik und Quantenelektronik. Der hochintensive Laserpuls propagiert von links nach rechts durch ein Heliumplasma. Als Hintergrundbeleuchtung diente ein 6 fs kurzer Laserpuls. Die periodische Struktur auf der waagerechten mittleren Achse ist die Plasmawelle, die durch den Laserpuls im Plasma angeregt wurde.
Ein anderes Ziel ist es, durch neue Setups die Stabilität des Beschleunigungsprozesses zu erhöhen. Überschallgasjets haben ihre Eignung zur Erzeugung von relativistischen Elektronen in den letzten Jahren bewiesen. Am JETi40-Laser, der eine Pulsdauer von 30 fs und eine Pulsenergie von 700 mJ hat, konnten damit Elektronenenergien von bis zu 200 MeV erzeugt werden.
: Energieverteilung der durch Laserbeschleunigung erzeugten Teilchen
Abb. 2: Energieverteilung der durch Laserbeschleunigung erzeugten Teilchen. Es können monoenergetische Teilchen mit kinetischen Energien von bis zu 200 MeV erzeugt werden.
Um zu noch höheren Energien zu gelangen, benötigt man entweder mehr Laserleistung oder man muss den Laserpuls im Gas bzw. Plasma, ähnlich Licht in einer Glasfaser, führen.
Die höhere Spitzenleistung des JETi200 von bis zu 200 TW wurde benutzt um Elektronenpulse auf eine Energie von bis zu 1 GeV zu beschleunigen. Dabei zeichnen sie sich durch ihre sehr geringe Divergenz von nur 0,7 mrad aus. Diese Eigenschaften prädestinieren diese Elektronenpakete um brillante Röntgenstrahlung, die sogenannte Betatronstrahlung zu erzeugen.
Divergenz der Elektronen in Abhängigkeit von Energie
Abb. 3: Divergenz der Elektronenbündel in Abhängigkeit von ihrer Energie