High-repetition-rate, all-reflective optical guiding and electron acceleration in helium using an off-axis axicon

Um die hier beschriebene Arbeit zu verstehen, muss man zuerst die grundlegende Herausforderung der modernen Teilchenphysik begreifen: wie man winzige Teilchen unglaublich schnell bewegt. Seit Jahrzehnten nutzen Wissenschaftler massive Maschinen, die oft meilenlang sind, um Elektronen auf hohe Geschwindigkeiten zu treiben. Diese Maschinen nutzen Radiowellen, um den Teilchen einen Stoß zu versetzen, aber die Kraft, die sie ausüben können, ist begrenzt. Wenn man versucht, zu stark auf engem Raum zu drücken, geht die Maschine kaputt oder arbeitet ineffizient. Dies hat die Größe und die Kosten dieser Beschleuniger enorm hoch gehalten, was die Nutzung einschränkt und ihre Möglichkeiten begrenzt.

Ein anderer Ansatz, bekannt als Laser-Wakefield-Beschleunigung, bietet eine Möglichkeit, diese Maschinen auf die Größe eines Raumes zu schrumpfen. Anstatt Radiowellen verwendet diese Methode einen intensiven Laserlichtpuls, der in ein Gas gefeuert wird. Der Laser ist so leistungsstark, dass er Elektronen aus den Gasatomen herausreißt und so ein Plasma erzeugt. Während der Laserpuls durch dieses Plasma wandert, drückt er die Elektronen zur Seite und erzeugt hinter sich ein Kielwasser, ganz ähnlich wie das Kielwasser eines Bootes, das sich durch das Wasser bewegt. Dieses Kielwasser erzeugt ein kraftvolles elektrisches Feld, das andere Elektronen einfangen und sie über eine sehr kurze Distanz auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen kann. Der Schlüssel zum Erfolg dieser Methode besteht darin, den Laserstrahl während seiner Reise durch das Gas fokussiert und stark zu halten. Wenn der Strahl auseinanderläuft, stoppt die Beschleunigung. Lange Zeit war es schwierig und instabil, einen solch leistungsstarken Strahl über eine lange Distanz fokussiert zu halten, was oft komplexe Aufbauten erforderte, die schwer zu warten oder durch den Laser selbst beschädigt werden konnten.

Forscher der ELI Beamlines Einrichtung in der Tschechischen Republik haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der University of Maryland nun einen neuen Weg demonstriert, um dieses Fokussierungsproblem zu lösen. Sie bauten einen experimentellen Aufbau, der ausschließlich Spiegel verwendet, um den Laser zu führen, wodurch Glas oder Linsen vermieden werden, die durch die Hitze des leistungsstarken Strahls beschädigt oder verzerrt werden könnten. Die Kernelement ihrer Innovation ist ein spezieller reflektierender Kegel, ein sogenannter Off-Axis-Axicon, der den Laserstrahl formt, bevor er in das Gas eintritt. Dieser Aufbau ermöglichte es ihnen, einen stabilen Kanal in Heliumgas zu erzeugen, einer sicheren und leicht handhabbaren Alternative zu dem in ähnlichen Experimenten oft verwendeten Wasserstoff.

In ihren Experimenten feuerte das Team einen Laserpuls mit einer Dauer von nur 30 Femtosekunden – eine Zeitskala, die so kurz ist, dass sie sich kaum vorstellbar ist – der eine Energie von 13 Joule trägt. Sie teilten diesen Puls in zwei Teile auf. Ein Teil, der Haupttreiber, wurde fokussiert, um die Elektronen zu beschleunigen. Der andere Teil wurde in ein spezielles ringförmiges Muster geformt, um einen vorgeformten Kanal im Heliumgas zu erzeugen. Dieser Kanal fungierte wie ein hohles Rohr für den Hauptlaserpuls und hielt ihn während seiner Reise durch das Gas eng fokussiert. Die Forscher testeten dieses System bei zwei verschiedenen Geschwindigkeiten. Bei einer langsameren Rate von 0,2 Schüssen pro Sekunde beschleunigten sie erfolgreich Elektronen auf Energien von etwa 5 Milliarden Elektronenvolt. Dies ist eine bedeutende Errungenschaft, die zeigt, dass die Methode in einer einzigen Stufe hohe Energien erzeugen kann.

Das Team trieb das System auch auf eine viel höhere Rate von 3,3 Schüssen pro Sekunde voran. Obwohl sie die Elektronenbeschleunigung bei dieser höheren Geschwindigkeit nicht auf die gleiche Weise gemessen haben, bewiesen sie, dass der Laserstrahl über lange Zeiträume stabil durch den Plasmakanal geführt werden kann, ohne dass das System degradiert. Dies ist ein entscheidender Schritt, um diese Beschleuniger für den alltäglichen Gebrauch praktikabel zu machen, da höhere Wiederholungsraten mehr Daten und mehr nutzbare Strahlen bedeuten. Die Verwendung von Helium war eine bewusste Entscheidung; im Gegensatz zu Wasserstoff, der leicht entflammbar ist und eine sorgfältige Handhabung erfordert, ist Helium inert und sicherer im Umgang mit einer Einrichtung, die kontinuierlich arbeitet.

Die Ergebnisse zeigen, dass dieser rein reflektierende Ansatz robust ist. Durch die Verwendung von Spiegeln anstelle von Linsen vermieden die Forscher die thermischen Verzerrungen, die Hochleistungslasersysteme oft plagen. Sie fanden heraus, dass die erzeugten Elektronenstrahlen in der Richtung stabil waren und eine geringe Streuung aufwiesen, was bedeutet, dass die Teilchen in einem engen Bündel zusammenblieben. Die Energie der Elektronen erreichte bis zu 5 Milliarden Elektronenvolt, was konsistent mit den theoretischen Vorhersagen für diese Bedingungen ist. Das Team stellte fest, dass der Prozess auf einem spezifischen Timing zwischen den beiden Laserpulsen beruhte, um den Kanal kurz vor der Ankunft des Hauptpulses zu erzeugen – ein empfindliches Gleichgewicht, das ihr System von Schuss zu Schuss aufrechterhalten konnte.

Diese Arbeit erhebt nicht den Anspruch, jedes Problem der Teilchenbeschleunigung gelöst zu haben, aber sie bietet einen klaren Weg nach vorn. Die Methode ist einfach genug, dass sie keine größeren Änderungen an bestehenden Laseranlagen erfordert, was sie für andere Forschungszentren zugänglich macht. Indem sie bewiesen haben, dass eine stabile, hochenergetische Beschleunigung mit einem sicheren Gas und einem langlebigen optischen Aufbau möglich ist, haben die Forscher mehrere Barrieren beseitigt, die diese Technologie bisher zurückgehalten haben. Die Ergebnisse legen nahe, dass zukünftige Beschleuniger kleiner, sicherer und zuverlässiger gebaut werden könnten, was potenziell die Tür zu neuen Anwendungen in der Medizin und Materialwissenschaft sowie zu weiteren Entdeckungen in der fundamentalen Physik öffnen könnte. Der Erfolg dieses Experiments liegt nicht in einem einzelnen dramatischen Durchbruch, sondern in der stetigen Demonstration, dass ein schwieriges Problem mit einem einfachen, langlebigen Design gelöst werden kann.