In einer Heliumgas-Zelle werden die Teilchen mithilfe von Laser beschleunigt
“Winziger” Teilchenbeschleuniger erreicht Meilenstein
Teilchenbeschleuniger sind normalerweise riesige Konstruktionen von mehreren Kilometern Länge. Sie bringen wichtige wissenschaftliche Fortschritte, die große Bauweise macht das aber schwer zugänglich. Daher wird an kompakteren Teilchenbeschleunigern geforscht.
Die University of Texas in Austin hat nun ein Instrument vorgestellt, das insgesamt 20 Meter lang ist. Das klingt viel, ist aber im Vergleich zu anderen Teilchenbeschleunigern von mehreren Kilometern Länge deutlich kleiner. Die Kammer, in der Forscher*innen einen Elektronenstrahl mit 10 Milliarden Elektronenvolt (10 GeV) erzeugen konnten, misst sogar nur 10 Zentimeter.
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Heliumgas mit Nanopartikeln
Aktuell sind in den USA nur 2 weitere Teilchenbeschleuniger im Einsatz, die so hohe Elektronenenergien erzeugen können. Beide sind ungefähr 3 Kilometer lang. Dafür haben die Forscher*innen Heliumgas mit hochenergetischen, ultra-kurzen Laserimpulsen beschossen. Das Heliumgas wurde zudem mit Nanopartikeln aus Aluminium angereichert. Diese verstärken die Energie, die durch den Laser entsteht, indem sie Elektronen freigeben.
Der Aufbau des Kielfeld-Laserbeschleunigers: Rechts tritt der Laser in die Gaszelle ein und erzeugt den Elektronenstrahl, der auf die beiden Szintillationsschirmen DRZ1 und DRZ2 trifft und dort analysiert wird
© Aniculaesei et al., Matter and Radiation at Extremes, 2023
Es handelt sich um einen sogenannten Kielfeld-Beschleuniger bzw. Plasmabeschleuniger. Im Gegensatz zu herkömmlichen Teilchenbeschleunigern wird hier Plasma genutzt, um eine Welle mit hoher elektrischer Feldstärke zu erzeugen.
Die Welle erreicht nahezu Lichtgeschwindigkeit und trägt den Elektronenstrahl wie einen Surfer mit sich. Dadurch werden die Teilchen konstant beschleunigt und erreichen auf kurzen Strecken bereits hohe Energien, statt sie etwa mehrfach durch eine riesige Ringkonstruktion zu schicken, wie bei anderen Teilchenbeschleunigern.
Medizin, Materialforschung und Raumfahrt
Kleinere Teilchenbeschleuniger sind vor allem für Anwendungen im medizinischen Bereich und in der Materialforschung relevant. Je kleiner sie gebaut werden können, je günstiger werden sie auch. Die Forscher*innen der University of Texas hoffen, mit ihrer Konstruktion Elektronik für den Einsatz im Weltraum testen zu können. Die Ergebnisse der Forschung wurden im Fachmagazin "Matter and Radiation at Extremes" veröffentlicht.
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