(Shanghai Institut für Optik und Feinmechanik) Teilchenbeschleuniger sind für die Erforschung der Materie des Universums von enormer Bedeutung, aber diejenigen, an die wir denken, sind meist gigantische Instrumente – umliegende Städte in manchen Fällen. Jetzt haben Wissenschaftler eine viel kleinere Version entwickelt, um einen fortschrittlichen Laser anzutreiben, ein Aufbau, der genauso nützlich sein könnte wie seine größeren Gegenstücke.
Bei dem betreffenden Teilchenbeschleuniger handelt es sich um einen Plasma-Wakefield-Beschleuniger , der kurze und intensive Elektronenstöße erzeugt, und der Laser, den er antreibt, ist ein sogenannter Freie-Elektronen-Laser (FEL), der mit seinem Licht Atome, Moleküle und kondensierte Materie in unglaublich hoher Auflösung analysiert.
Obwohl dieses Szenario bereits ausprobiert wurde, war das resultierende Laserlicht nicht intensiv genug, um in kleineren Maßstäben nützlich zu sein. Hier konnten die Forscher den Aufbau in wenigen Räumen normaler Größe unterbringen und gleichzeitig den endgültigen vom Laser erzeugten Elektronenstrahl verstärken, wodurch die Intensität im letzten Schritt des Prozesses um das Hundertfache erhöht wurde.
„Wir haben die Machbarkeit der neuen technischen Route mit dem Laser-Elektronenbeschleuniger mit ultrahoher Beschleunigungsfähigkeit bewiesen und die Anlagengröße von Kilometerniveau auf 12 Meter verkleinert.“ sagt der Physiker Leng Yuxin , von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS).
Es gab verschiedene Herausforderungen für das Team, die Technologie zu verkleinern und sie gleichzeitig praktisch nutzbar zu halten. Sie mussten beispielsweise die Schwankung der Energie der Elektronen auf nur 0,5 Prozent reduzieren, was eine Reihe von Optimierungen erforderte, die die Elektronenbeschleunigung kontrollierten und eine reibungslose Bewegung gewährleisteten.
Die Elektronen werden durch ein Vakuumrohr und durch eine Reihe von drei magnetisierten Undulatoren geschossen, die ihre Magnetfelder nutzen, um die Elektronen zu schütteln und Licht zu erzeugen. Das emittierte Licht stößt auf die Elektronen zurück und treibt sie in kleinere Gruppen, die dann den Laserstrahl erzeugen.
Die Erhöhung des elektrischen Feldes durch die Undulatoren bei gleichzeitiger Wahrung der Stabilität ist einer der Gründe dafür, dass der Aufbau so kompakt gestaltet werden konnte, wie er war. Dies bedeutet, dass viele der Vorteile von Teilchenbeschleunigern in Experimenten genutzt werden können, die in einem einzigen Raum durchgeführt werden.
„Die Merkmale des FEL, einschließlich seiner superhohen zeitlichen und räumlichen Auflösungsraten und seiner extrem hohen Spitzenhelligkeit, ermöglichen die Realisierung einer dreidimensionalen, multimodalen Abbildung von Materie mit ultrahoher Präzision.“ sagt der Physiker Wang Wentao , von CAS.
Der neue Aufbau ist nicht nur kleiner als Ihre Standard-Teilchenbeschleuniger- und FEL-Konfiguration, sondern auch viel erschwinglicher – was zahlreiche potenzielle neue Anwendungen eröffnet, auch wenn das Gerät nicht so leistungsstark ist wie die Vollversionen.
Tatsächlich wird es viel mehr Zeit und viel mehr Forschung erfordern, den neuen Teilchenbeschleuniger und seinen FEL für praktische Laborexperimente vorzubereiten, aber die Wissenschaftler haben gezeigt, was bei der Verkleinerung des Gesamtsystems möglich ist.
Und während gewisse Fragen offen bleiben, wie gut der kleine Beschleuniger und Laser mit den Ergebnissen mithalten können, die wir bereits von den größeren Versionen erhalten, andere Experten haben die neue Forschung schnell für das gelobt, was sie geleistet hat. Es könnten viele neue und aufregende Entdeckungen auf uns zukommen.
„Die Anwendung der potenziellen Technologie wird wahrscheinlich das Verständnis der Menschheit für das Mysterium des Lebens und die Revolution der Lebewesen immens erweitern“, sagt Wentao .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .