Hochintensive, formbare Elektronenstrahlen der 4. Generation und darauf basierende Lichtquellen

• Antragsteller: Professor Dr. Bernhard Hidding
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 232769134

Ein kürzlich vom Antragsteller und Forschungspartnern ersonnenes, patentiertes und publiziertes Verfahren zur Erzeugung hochintensiver Elektronenstrahlen mit geringster Emittanz und maximaler Helligkeit soll experimentell demonstriert und optimiert werden. Hierzu sollen zunächst Plasmaquellen basierend auf Alkalimetall-Gasen mit niedrigster Ionisationsschwelle entwickelt werden, in denen dann kompakte Elektronenstrahlen aufgrund ihrer elektrischen Eigenfelder die Alkalimetall-Dämpfe, etwa Lithium, Rubidium oder Cäsium, selbstständig in ein Plasma ionisieren und anschließend eine intensive Plasmawelle treiben können. Diese Plasmawellen eignen sich hervorragend zur Beschleunigung von Elektronen, da hier enorme elektrische Felder herrschen, die etwa vier Größenordnungen größer sind als in herkömmlichen Beschleunigern, so dass entsprechend die solche Beschleuniger um vier Größenordnungen kleiner und damit wesentlich kostengünstiger sein können. In diese Plasmawelle soll dann ein mit dem treibenden Elektronenstrahl synchronisierter Kurzpuls-Laserstrahl derart fokussiert werden, dass er aufgrund seiner Spitzenintensitäten in einem eng begrenzten Bereich im Fokus durch Ionisation einer zweiten, zuvor neutralen Gaskomponente mit höherer Ionisationsschwelle Elektronen definiert freisetzt. Diese Komponente kann zum Beispiel Helium sein. Die freigesetzten Elektronen werden dann in den enormen Plasmawellenfeldern fokussiert, gefangen und rasant beschleunigt. Zur Ionisation dieser Gas-Komponente ist ein Laserpuls mit einer um vier Größenordnungen geringerer Spitzenintensität als in bisherigen Laser-Plasma-Beschleunigungskonzepten erforderlich, so dass die vom Laserpuls oktroyierte transversale Impulskomponente und die sich daraus ergebende Emittanz des erzeugten Elektronenstrahls damit um etwa vier Größenordnungen geringer sein kann als bisher. Diese Emittanz ist von entscheidender Bedeutung für von Elektronenstrahlen getriebene Lichtquellen basierend auf dem Prinzip des Freie-Elektronen-Lasers, der Compton-Rückstreuung als auch der Betatron-Oszillationen im Plasma. Proof-of-concept-Experimente sollen an der Universität Hamburg entwickelt und an Laser-Plasma-Beschleunigern in Deutschland, sowie am Stanford Linear Accelerator (SLAC) durchgeführt werden. Dieses Prinzip stellt das Plasma-Äquivalent einer Photokathode dar. Vorionisation der Komponente mit der niedrigen Ionisationsschwelle mittels Laserpulsen und Gasentladungen, sowie das Verfahren des Laserpulsfokus in Raum und Zeit im Verhältnis zur Plasmawelle soll die effektive Beschleunigungslänge und damit den Energiegewinn sowie die Form des erzeugten Elektronenstrahls noch besser steuern. Das Verfahren soll zu einem Durchbruch in der Kontrollierbarkeit und Steuerbarkeit sowie in der Qualität der mittels Plasmaverfahren erzeugten Elektronenstrahlen führen, und letztlich die Entwicklung kompakter, kostengünstiger Lichtquellen überlegener Qualität für Medizin und Grundlagenforschung ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen