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Kleine Teilchenbeschleuniger für die Medizin

Strahldiagnostik
Kleine Teilchenbeschleuniger für Medizin und Forschung

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Simulation für den Laser-Wakefield-Beschleuniger: Der Laserpuls regt eine sich fortpflanzende Ladungswelle an, die Elektronen mitzieht (Bild: © Joshua Ludwig, cc 4.0; wikimedia)
Kleine Teilchenbeschleuniger basieren auf der Laseranregung von Kielwellen in Plasmen (laser wakefield). Forscher haben nun eine Methode entwickelt, um den Querschnitt der so beschleunigten Elektronenpakete präzise zu vermessen. Dadurch rücken Anwendungen dieser neuen Beschleunigertechnologien für Medizin und Forschung näher.

Seit Jahrzehnten wurden Teilchenbeschleuniger immer größer. Seit einigen Jahren gibt es jedoch eine Alternative: „Teilchenbeschleuniger im Tischformat“. Diese basieren auf der Laseranregung von Kielwellen in Plasmen (laser wakefield). Das Prinzip der Laser-Wakefield-Beschleuniger: Ein Hochleistungslaser regt in einem Plasma eine Ladungswelle an, die sich mit der Geschwindigkeit des Laserpulses fortpflanzt und ihrem „Kielwasser“ Elektronen hinterherzieht und so beschleunigt.

Elektronenenergien im Elektronenvolt-Bereich sind mit dieser Technik schon seit längerem erreichbar. Allerdings sind die so erzeugten Elektronenpakete bisher zu klein und zu schlecht fokussiert, um die von ihnen abgegebene Synchrotronstrahlung zu nutzen – ein intensives, kohärentes Licht, das für die Forschung in vielen unterschiedlichen Disziplinen eingesetzt wird.

Redproduzierbare Elektronenpakete erzeugen

Für die Weiterentwicklung der Technik ist daher eine Methode notwendig, um Querschnitt und Qualität der Elektronenpakete individuell präzise zu messen und zu kontrollieren. Mit dem Speicherring der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Berlin, die Metrology Light Source (MLS), lassen sich kleine Elektronenpaketen erzeugen. Diese sind denen der Laser-Wakefield-Beschleuniger sehr ähnlich. Allerdings sind ihre Eigenschaften sehr reproduzierbar und lassen sich genau einstellen und variieren. Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und an der PTB hat nun eine Methode entwickelt, um die laterale Ausdehnung des Elektronenstrahls eines Laserplasma-Beschleunigers mit einer Auflösung im Mikrometerbereich zu messen.

Strahlgröße von wenigen Mikrometern messen

„Dabei nutzen wir eine Technik, die erfolgreich am Speicherring Bessy II eingesetzt wird“, erklärt Thorsten Kamps, Ko-Autor der Studie. Erstautor Ji-Gwang Hwang hatte die Idee, im sichtbaren Bereich die kohärente Strahlung der Elektronenpulse über das Phänomen der Interferenz (Doppelspalt) zu nutzen. So lässt sich der Strahlquerschnitt als Abweichung von einer perfekt punktförmigen Quelle ermitteln. Mit Hilfe einer hochempfindlichen Kamera und komplexer Algorithmen gelang es dem Team, die laterale Strahlgröße im Bereich von wenigen Mikrometern zu messen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
HZB
Prof. Thorsten Kamps
E-Mail: thorsten.kamps@helmholtz-berlin.de

https://www.nature.com/articles/s42005–021–00717-x

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