Rekord pulverisiert: Laser-Trick macht Elektronenstrahl fünfmal stärker

Dank einer neuen Lasertechnik wurde ein Elektronenstrahl mit fünf­mal höherer Stromstärke als je zuvor erzeugt. Die Methode kom­pri­miert Elektronen extrem präzise und minimiert dabei störende Energieverluste.

SLAC-Labor bricht Rekord bei Elektronenstrahl-Kraft

Bisher wurden die leistungsstärksten Elektronenstrahlen mit Mikrowellenfeldern geformt. Dabei erhalten hintere Elektronen mehr Energie, um die vorderen auf ihrer Bahn einzuholen - ähnlich wie Läufer in einem Rennen mit Staffelstart. Doch diese Methode hat einen Nachteil: Beim Beschleunigen geben die Elektronen Energie in Form von Strahlung ab, wodurch die Qualität des Strahls leidet.

Ein Team am SLAC National Accelerator Laboratory, einer Einrichtung des US-Energieministeriums in Kalifornien, hat ein neues Verfahren entwickelt. Statt auf Mikrowellen setzt es auf einen Laser, der die Elektronen über sehr kurze Strecken mit extremer Genauigkeit moduliert. "Der große Vorteil eines Lasers ist, dass wir damit eine viel präzisere Energiemodulation erreichen können", erklärt Claudio Emma, Projektleiter und Physiker am SLAC.

Wir haben eine Maschine, die ein Kilometer lang ist, und der Laser interagiert mit dem Strahl in den ersten 10 Metern, also muss man die Form genau treffen.

Die Herausforderung lag nicht nur in der Energiemodulation selbst, sondern auch darin, die Elektronen über eine Strecke von einem Kilometer stabil zu halten, bevor sie auf weniger als einen Mikrometer Länge komprimiert wurden. Nach Monaten intensiver Tests gelang es, Elektronenstrahlen mit einer Spitzenleistung im Petawatt-Bereich zu erzeugen - das entspricht einer Billion Watt, konzentriert auf eine ultrakurze Zeitspanne von Femtosekunden (eine Femtosekunde ist eine Billiardstel Sekunde).

Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Mit dieser Technologie lassen sich neue Experimente durchführen, beispielsweise zur Untersuchung von Plasmastrukturen, wie sie in den Sternen vorkommen. Auch extrem kurze Lichtblitze, sogenannte Attosekundenpulse, könnten mit dieser Technik erzeugt werden, um Bewegungen einzelner Elektronen in Atomen zu analysieren.

Power für alle

Emma ist begeistert von den Möglichkeiten der neuen Technik und lädt die Wissenschaftler der Welt ein, den neuen Rekordstrahl zu nutzen: "Wenn Sie einen extrem leistungsstarken Strahl benötigen, haben wir das richtige Werkzeug." Die Experimente finden an der Forschungseinrichtung FACET-II statt, die internationalen Teams zur Verfügung steht und schon erste Projekte für effizientere Teilchenbeschleuniger unterstützt.


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