Onderzoekers van het Amerikaanse Berkeley Lab hebben als eersten twee laser-plasma-versnellers aan elkaar gekoppeld. Deze alternatieve techniek voor het versnellen van elektronen biedt uitzicht op veel kleinere en beter betaalbare deeltjesversnellers, evenals vrije-elektronen-lasers voor het doen van fundamenteel materiaal- en biochemisch onderzoek. Zij rapporteren hier vandaag over in Nature.
De onderzoekers ontwikkelden een variant van de elektronenversneller, een zogeheten laser-plasma-versneller , die werkt op basis van zeer krachtige laserpulsen, van 50 TW (1012 watt) piekvermogen en maar 35 fs (10-15 s) lang.
Surfen op een lasergolf
Deze laser ioniseert de atomen in een gasstroom en duwt vervolgens de losgeslagen elektronen vóór de ionen uit. Hierdoor ontstaat een extreem krachtig versnellend elektrisch veld, van een factor 1000 hoger dan dat in conventionele versnellers optreedt. Een klein deel van de losgeslagen elektronen raakt als een planksurfer gevangen in deze laser-‘golf’ en doet binnen een paar millimeter honderden MeV’s aan kinetische energie op. Dat ziet er ongeveer zo uit:
Hierdoor zijn laser-plasma-versnellers de meest veelbelovende optie voor het bouwen van veel compactere deeltjesversnellers. Voor nuttige toepassingen van deze versneller is één versnelstap echter niet voldoende; er moeten meerdere versnellers aan elkaar gekoppeld worden. De versnelde elektronen uit versneller 1 moeten worden ingevoerd in versneller 2, de opbrengst daarvan weer in versneller 3 enzovoort.
De onderzoekers in Berkeley hebben dit nu als eersten succesvol uitgevoerd.
Slimme trucs
Ze bouwden een inventieve opstelling met twee versnellers. Daarbij hadden ze allerlei slimme trucs nodig om het hoopje versnelde elektronen in het gareel te houden. Dat dit is gelukt, mag in het vakgebied van versnellertechnologie een doorbraak heten. Deze stap opent de deur naar het in serie zetten van veel meer versnellertrappen, zodat steeds hogere energieën bereikt kunnen worden.
Schematische weergave van de koppeling die de LBNL-onderzoekers maakten tussen twee versneller-trappen. Bron: Lawrence Berkeley National Laboratory.
VHS-tape
Het meest opvallende, en wellicht cruciale, onderdeel was een lopende VHS-tape, die onder invloed van de laserbundel fungeerde als plasmaspiegel. Daardoor kon eenvoudig de laser van versneller 1 worden afgevoerd en de laser van versneller 2 in het systeem worden binnengelaten. Het idee van de plasmaspiegel komt van dr.ir. Wim Leemans, directeur van BELLA (the Berkeley Lab Laser Accelerator), die tevens het onderzoek leidde.
Toepassingen
Wetenschappers hopen dat dit type versneller op termijn megaprojecten als de LHC in Zwitserland kan vervangen, die miljarden euro’s heeft gekost en kilometers groot is. De laser-plasma-versnellertechnologie biedt uitzicht op dezelfde prestaties, met een apparaat van tientallen meters lang, dat enkele miljoenen euro’s kost. Maar waarschijnlijk komt eerst binnen een paar jaar een zogeheten vrije elektronenlaser binnen handbereik, die coherente röntgenstraling afgeeft —zeer geschikt voor het doen van materiaalonderzoek.
Lees verder in het artikel in Nature (Dr.Rer.Nat. S. Steinke et al., Multistage coupling of independent laser-plasma accelerators)
In het komende nummer van De Ingenieur, dat verschijnt op 16 februari, lees je alle details over het koppelen van de twee laser-plasma-versnellers.
Lead image: een zogeheten capillary discharge waveguide, die helpt de elektronenbundel bij elkaar te houden. Bron: Roy Kaltschmidt.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.