Kielfeld-Beschleuniger

Durch einen Elektronenstrahl erzeugtes Kielfeld in einem Plasma

Ein Kielfeld-Beschleuniger (englisch Wakefield Accelerator) ist ein Teilchenbeschleuniger, bei dem mit Hilfe eines Lasers oder Elektronen- bzw. Protonenstrahls eine geladene Welle in einer Plasmastrecke erzeugt wird. Kielfeld-Beschleuniger sind Gegenstand aktueller Forschung, bislang werden sie nicht dauerhaft in Teilchenbeschleunigern genutzt (Stand 2011). Die Möglichkeit davon soll in den nächsten Jahren unter anderem vom FACET-Projekt am SLAC untersucht werden.

In herkömmlichen Teilchenbeschleunigern wird die elektrische Feldstärke und damit die Beschleunigung durch die Durchschlagsfestigkeit begrenzt. Um hohe Energien zu erreichen, müssen die Beschleunigungsstrecken daher wie in Ringbeschleunigern mehrfach genutzt werden oder in Linearbeschleunigern sehr lang sein. Ein Kielfeld-Beschleuniger umgeht diese Begrenzung: Er besteht aus einem Plasma, in dem mit einem Laser oder einem Elektronenstrahl eine Welle angeregt wird, in der hohe elektrische Feldstärken herrschen. Diese Welle wandert mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Plasma. Ein entsprechend schneller Teilchenstrahl kann daher wie ein Surfer auf dieser Welle reiten und wird kontinuierlich beschleunigt. So kann in Experimenten die Energie von Teilchen über eine Strecke von 1cm um 1 GeV und über eine Strecke von 1m um 50 GeV erhöht werden. Andere Beschleunigertypen benötigen für 1 GeV Strecken von 30 Metern und mehr.

Funktionsprinzip

Schießt man einen sehr kurzen Elektronenstrahl in ein Plasma, so stoßen diese negativ geladenen Elektronen die Elektronen des Plasmas ab und ziehen die positiv geladenen Ionen an. Hinter dem Strahl entsteht daher ein positiv geladener Bereich, der die vorher abgestoßenen Elektronen wieder anzieht. Sie verdichten sich wieder, sodass der Bereich negativ geladen wird und stoßen sich daher wieder ab. Dieser Prozess geschieht mit abnehmender Intensität mehrfach, sodass sich durch das Plasma eine Welle aus Bereichen positiver und negativer Ladung ausbreitet. Zwischen den Bereichen herrscht jeweils ein starkes elektrisches Feld, in dem die zu beschleunigenden Teilchen beschleunigt werden.

Mit einem Protonenstrahl entsteht auf die gleiche Art eine Welle, hier werden die Elektronen erst angezogen statt abgestoßen. Da der Energieübertrag auf den zu beschleunigenden Strahl von der Energie des wellenerzeugenden Strahls abhängt und Protonen leichter auf hohe Energien gebracht werden können als Elektronen, kann man auf diese Art möglicherweise Elektronen auf sehr hohe Energien beschleunigen. Ein entsprechendes Experiment wird derzeit am CERN geplant.

Damit der beschleunigte Strahl dauerhaft im Bereich der optimalen Beschleunigung bleibt, muss seine Geschwindigkeit nah an der Geschwindigkeit der Welle sein und darf sich während des Durchgangs nicht zu stark ändern. Daher lassen sich mit einem Kielfeld-Beschleuniger nur Teilchen beschleunigen, die bereits eine hohe Energie haben und deren Geschwindigkeit daher schon nah an der Lichtgeschwindigkeit ist.

Quellen

• Spiegel: Teilchenschleudern zum Schnäppchenpreis. In: Der Spiegel. Nr. 37, 2008 (online).
• Particle Beam Physics Laboratory: Plasma Acceleration
• Spektrum der Wissenschaft, August 2006
• CERN Courier: Workshop pushes proton-driven plasma wakefield acceleration, abgerufen am 5. April 2010
• FACET Projekt: What Is FACET?, abgerufen am 29. April 2011