Teilchenbeschleuniger für den Labortisch

Teilchenbeschleuniger sind üblicherweise riesige Anlagen, die zu den komplexesten und teuersten Forschungsgeräten zählen. Ursprünglich für die physikalische Grundlagenforschung entwickelt, sind sie inzwischen auch aus Medizin, Chemie, Biologie und den Materialwissenschaften nicht mehr wegzudenken. Ein Traum vieler Wissenschaftler ist es deshalb, kleine, aber dennoch leistungsstarke Beschleuniger zu bauen, die sogar auf einem Labortisch Platz finden. Nun hat ein Forscherteam einen weiteren Schritt hin zu solchen Miniatur-Beschleunigern getan: Sie beschleunigten Elektronen auf eine – für solche Anlagen – neue Rekordenergie. Mit den erzielten zwei Gigaelektronenvolt rücken interessante Anwendungen in den Blick, denn mit derart hochenergetischen Elektronenstrahlen lässt sich unter anderem Röntgenstrahlung erzeugen, wie sie vielerorts eingesetzt wird.

„Solche Beschleuniger werden die Röntgenforschung demokratisieren, denn sie ermöglichen Biologen, Chemikern und Materialwissenschaftlern in kleinen Laboren die Bausteine des Lebens zu untersuchen“, erklärt Studienleiter Mike Downer von der University of Texas in Austin. „Damit können sie neue Materialien und medizinische Wirkstoffe erproben, was bislang nur in großen, zentralen Forschungseinrichtungen möglich ist.“ Die Forscher erreichten die hohen Energien, indem sie einen ultrastarken Laserstrahl in eine Vakuumzelle mit dünnem Heliumgas einspeisten, berichten sie im Fachblatt „Nature Communications“. Ist der Laser intensiv genug, erzeugt er dort ein Plasma, in dem die Elektronen mitgerissen und blitzschnell beschleunigt werden – und das auf nur wenigen Zentimetern. Tatsächlich benötigen konventionelle Teilchenbeschleuniger für dieselben Elektronenenergien teils tausendfach größere Beschleunigungsstrecken.

Im Englischen wird der neuartige Beschleunigertyp als „Wake Field Accelerator“ bezeichnet, wobei „wake“ für das nachschwappende Kielwasser eines fahrenden Schiffes steht. Ähnliche Wellen – jedoch solche mit extrem starken elektromagnetischen Feldern – erzeugt der Laserstrahl im Plasma, sodass die Elektronen wie Surfer auf einer Welle reiten und dabei sehr schnell an Energie gewinnen. Im Deutschen ist deshalb auch der Name „Kielfeld-Beschleuniger“ gebräuchlich. Durch die Wechselwirkung von Laser und Plasma entstehen lokal extreme Beschleunigungsspannungen, die sich mit herkömmlicher Technik nicht realisieren lassen, da sie weit über der Durchschlagspannung liegen.

Auf einem Labortisch steht ein Laseraufbau mit Spiegeln, Linsen, Blenden und anderen optischen Geräten in grünes und violettes Licht gehüllt.
Miniatur-Teilchenbeschleuniger

Von der Serienreife sind diese Geräte aber noch ein gutes Stück entfernt. Während große Beschleunigeranlagen konstant laufen, schafft der Laser in Austin nur einen kurzen Schuss pro Stunde. Die Wissenschaftler rechnen aber damit, ihren Prototypen weiter optimieren zu können. Mit besserer Fokussierung des Laserstrahls und einigen anderen Details sollte nach ihren Berechnungen eine nochmals bis zu fünffach höhere Elektronenenergie im Rahmen des Möglichen liegen.

Der Laser in Austin ist eigentlich für andere Anwendungen als die Kielfeld-Beschleunigung ausgelegt worden. Den nächsten wichtigen Schritt erwarten Fachwissenschaftler deshalb von einer optimierten Anlage im kalifornischen Berkeley, wo der Laser bis zu fünf Schuss pro Sekunde abfeuern kann. Aber auch in Deutschland arbeiten Forscher an dieser Zukunftstechnologie. Florian Grüner von der Universität Hamburg ist zuversichtlich: „Bis 2015 planen wir einen Prototyp, mit dem wir dank der neuen Technologie einen miniaturisierten Röntgenlaser realisieren wollen.“