Eftersom de är mycket mer kompakta än dagens acceleratorer, som kan vara kilometer lång, plasmaacceleratorer anses vara en lovande teknik för framtiden. En internationell forskargrupp har nu gjort betydande framsteg i vidareutvecklingen av detta tillvägagångssätt:med två kompletterande experiment vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och vid Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), teamet kunde kombinera två olika plasmateknologier för första gången och bygga en ny hybridaccelerator. Konceptet kan främja acceleratorutveckling och, i längden, bli grunden för mycket lysande röntgenkällor för forskning och medicin, som experterna beskriver i tidskriften Naturkommunikation .

I konventionella partikelacceleratorer, starka radiovågor leds in i speciellt formade metallrör som kallas resonatorer. Partiklarna som ska accelereras – som ofta är elektroner – kan åka på dessa radiovågor som surfare åker på en havsvåg. Men teknikens potential är begränsad:Att mata in för mycket radiovågskraft i resonatorerna skapar risk för elektriska laddningar som kan skada komponenten. Detta innebär att för att få partiklar till höga energinivåer, många resonatorer måste kopplas i serie, vilket gör dagens acceleratorer i många fall kilometer långa.

Det är därför experter ivrigt arbetar på ett alternativ:plasmaacceleration. I princip, kort och extremt kraftfull laser blinkar eld in i ett plasma – ett joniserat materiatillstånd som består av negativt laddade elektroner och positivt laddade atomkärnor. I denna plasma, laserpulsen genererar ett starkt elektriskt växelfält, liknar ett skepps spår, som kan accelerera elektroner enormt över en mycket kort sträcka. I teorin, detta innebär att anläggningar kan byggas mycket mer kompakt, krymper en gaspedalen som är hundra meter lång idag ner till bara några meter. "Denna miniatyrisering är det som gör konceptet så attraktivt, " förklarar Arie Irman, en forskare vid HZDR Institute of Radiation Physics. "Och vi hoppas att det kommer att göra det möjligt för även små universitetslaboratorier att ha råd med en kraftfull accelerator i framtiden."

Men det finns ytterligare en variant av plasmaacceleration där plasmat drivs av nästan ljushastighets elektronknippen istället för kraftfulla laserblixtar. Denna metod erbjuder två fördelar jämfört med laserdriven plasmaacceleration:"I princip, det borde vara möjligt att uppnå högre partikelenergier, och de accelererade elektronstrålarna borde vara lättare att kontrollera, " förklarar HZDR-fysikern och huvudförfattaren Thomas Kurz. "Nackdelen är att för tillfället, vi förlitar oss på stora konventionella acceleratorer för att producera de elektronknippen som behövs för att driva plasman." FLASH på DESY i Hamburg, till exempel, där sådana experiment äger rum, mäter drygt hundra meter.

Högenergikombination

Det är just här det nya projektet kommer in. "Vi frågade oss själva om vi kunde bygga en mycket mer kompakt accelerator för att driva plasmavågen, säger Thomas Heinemann från University of Strathclyde i Skottland, som också är huvudförfattare till studien. "Vår idé var att ersätta denna konventionella anläggning med en laserdriven plasmaaccelerator." För att testa konceptet, teamet designade en sofistikerad experimentuppställning där starka ljusblixtar från HZDR:s laseranläggning DRACO träffade en gasstråle av helium och kväve, genererar en buntad, snabb elektronstråle via en plasmavåg. Denna elektronstråle passerar genom en metallfolie in i nästa segment, med folien som reflekteras tillbaka blinkar lasern.

I nästa segment, den inkommande elektronstrålen möter en annan gas, denna gång en blandning av väte och helium, där den kan generera en ny, andra plasmavågen, sätta andra elektroner i turboläge över ett spännvidd på bara några millimeter — ut skjuter en högenergipartikelstråle. "I processen, vi förjoniserar plasman med ytterligare, svagare laserpuls, Heinemann förklarar. "Detta gör plasmaaccelerationen med förarstrålen mycket mer effektiv."

Turbotändning:Nästan till ljusets hastighet inom bara en millimeter

Resultatet:"Vår hybridaccelerator mäter mindre än en centimeter, " Kurz förklarar. "Den stråldrivna acceleratordelen använder bara en millimeter av den för att få elektronerna till nästan ljusets hastighet." Realistiska simuleringar av processen visar en anmärkningsvärd gradient av accelerationsspänningen i processen, motsvarande en ökning på mer än tusen gånger jämfört med en konventionell accelerator. För att understryka betydelsen av deras resultat, forskarna implementerade detta koncept i en liknande form vid ATLAS-lasern vid LMU i München. Dock, experterna har fortfarande många utmaningar att övervinna innan denna nya teknik kan användas för applikationer.

Hur som helst, experterna har redan möjliga användningsområden i åtanke:"Forskningsgrupper som för närvarande inte har en lämplig partikelaccelerator kanske kan använda och vidareutveckla denna teknik, " hoppas Arie Irman. "Och för det andra, vår hybridaccelerator kan vara grunden för vad som kallas en frielektronlaser." Sådana FELs anses vara extremt högkvalitativa strålningskällor, speciellt röntgenstrålar, för ultraexakta analyser av nanomaterial, biomolekyler, eller geologiska prover. Tills nu, dessa röntgenlasrar krävde långa och dyra konventionella acceleratorer. Den nya plasmatekniken skulle kunna göra dem mycket mer kompakta och kostnadseffektiva – och kanske också överkomliga för ett vanligt universitetslaboratorium.