Quelltext der Seite Kielfeld-Beschleuniger

[[Datei:Illustration Plasma Wakefield Acceleration.png|mini|400px|Ein Elektronenstrahl erzeugt ein Kielfeld in einem Lithium-Plasma]]

Ein '''Kielfeld-Beschleuniger''' (englisch {{lang|en|''Wakefield Accelerator''; ''Wake'' ist das [[Kielwasser]] eines Schiffes}}), auch '''Plasmabeschleuniger''', ist ein [[Teilchenbeschleuniger]], bei dem mit Hilfe eines [[Laser]]s oder [[Elektron]]en- bzw. [[Proton]]enstrahls eine geladene [[Plasmawelle|Welle]] in einer [[Plasma (Physik)|Plasmastrecke]] erzeugt wird.<ref>{{Internetquelle|titel = Wakefield-Beschleuniger: Wellenreiten im Teilchenbeschleuniger|url = http://www.spektrum.de/news/wellenreiten-im-teilchenbeschleuniger/1319056|zugriff = 2015-12-05|werk = www.spektrum.de}}</ref> Kielfeld-Beschleuniger sind Gegenstand aktueller Forschung, bislang (2020) werden sie nicht dauerhaft in Beschleunigeranlagen genutzt. Die Möglichkeit dazu soll in den nächsten Jahren unter anderem vom [[FACET]]-Projekt am [[Stanford Linear Accelerator Center|SLAC]], dem [[LAOLA]]-Projekt am [[Deutsches Elektronen-Synchrotron|Deutschen Elektronen-Synchrotron]] (DESY), [[JuSPARK]] am [[Forschungszentrum Jülich]] und dem [[AWAKE]]-Projekt am [[CERN]] untersucht werden. Sie könnten wesentlich kompakter gebaut werden als andere [[Linearbeschleuniger]] und könnten diese in der Industrie und Medizin ergänzen. Auch ein Einsatz in der Teilchenphysik wird untersucht.

== Vergleich mit anderen Beschleunigerarten ==
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 [[Ringbeschleuniger]]n mehrfach genutzt werden oder in [[Linearbeschleuniger]]n sehr zahlreich sein. Ein Kielfeld-Beschleuniger umgeht diese Begrenzung: Er nutzt ein Plasma, in dem mit einem Laser oder einem Teilchenstrahl eine Plasmawelle 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 1&nbsp;cm um 1 [[Elektronenvolt|GeV]] und über eine Strecke von 1&nbsp;m um 50 GeV erhöht werden. Andere Beschleunigertypen benötigen für 1 GeV Strecken von 30 Metern und mehr. Neben der maximalen Energie ist auch wichtig, dass die Energie der beschleunigten Teilchen möglichst gleichmäßig wird und der Strahl gut fokussierbar ist.

== 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 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 („AWAKE“) nahm 2016 am CERN den Betrieb auf.<ref>{{Internetquelle |url=https://awake.cern/timeline |titel=AWAKE Timeline |werk=cern |sprache=en |abruf=2021-06-14}}</ref> Protonen lassen sich aufgrund ihrer höheren Masse leichter auf hohe Energien bringen, da sie in [[Synchrotron]]s weniger [[Synchrotronstrahlung]] aussenden. Mit einem Kielfeld-Beschleuniger soll diese hohe Energie dann auf Elektronen übertragen werden.

Auch ein Photonenstrahl aus einem Laser kann verwendet werden. Dieser treibt vor allem die Elektronen auseinander, wirkt also ähnlich wie ein Elektronenstrahl.

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 Protonen mit einem Kielfeld-Beschleuniger nur beschleunigen, wenn sie bereits eine hohe Energie haben und ihre Geschwindigkeit daher schon nah an der Lichtgeschwindigkeit ist. Elektronen erreichen die nötige Geschwindigkeit aufgrund ihrer geringen Masse wesentlich schneller und können daher auch aus dem Plasma selbst gewonnen werden.

== Entwicklungserfolge ==
Die Beschleunigung von Elektronen auf die Energie von 4,2 [[Elektronenvolt|GeV]] mit dieser Technik ist 2014 im [[Lawrence Berkeley National Laboratory]] gelungen.<ref>{{Webarchiv|url=http://www.pro-physik.de/details/news/7151691/Kompakte_Elektronenschleuder.html |wayback=20141224164645 |text=Pro-Physik.de: Kompakte Elektronenschleuder}}</ref><ref>W. P. Leemans et al.: ''Multi-GeV Electron Beams from Capillary-Discharge-Guided Subpetawatt Laser Pulses in the Self-Trapping Regime''. Phys. Rev. Lett. 113, 245002, Dez. 2014</ref> Ein vergleichbarer Erfolg wurde im [[Stanford Linear Accelerator Center]] erzielt.<ref>weltderphysik.de: {{Webarchiv|url=http://www.weltderphysik.de/gebiet/atome/news/2014/kielfeld-beschleunigung/ |wayback=20151208063645 |text=Kielfeld-Beschleunigungs-Erfolg 2014 bei SLAC}}, abgerufen am 3. Dezember 2015</ref> 2018 konnte die Elektronenenergie in Berkeley auf 7,8 GeV gesteigert werden. Dazu wurden zwei Laserpulse genutzt, einer zum Erwärmen des Plasmas und ein zweiter Puls für die Beschleunigung.<ref>{{Internetquelle|url=https://newscenter.lbl.gov/2019/02/25/laser-drill-sets-a-new-world-record-in-laser-driven-electron-acceleration/|titel=Laser ‘Drill’ Sets a New World Record in Laser-Driven Electron Acceleration|datum=2019-02-25|zugriff=2019-02-26}}</ref>

Einer Forschergruppe in Frankreich gelang es 2016, mit einer relativ kompakten Apparatur nach diesem Prinzip Elektronenstrahl-Pulse der Energie 5 MeV zu erzeugen. Die Pulsdauer beträgt nur  etwa 1 [[Femtosekunde]] bei einer Wiederholungsfrequenz im [[Hertz (Einheit)|Kilohertz]]-Bereich.<ref>D. Guénot et al.: Relativistic electron beams driven by kHz single-cycle light pulses. ''Nature Photonics'', April 2017, [http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.46.html], [https://arxiv.org/pdf/1611.09543.pdf]</ref>

2018 berichteten Forscher bei AWAKE über erste mit einem Protonenstrahl beschleunigte Elektronen. Mit einem Gradienten von 200 MV/m wurde eine Elektronenenergie von 2 GeV erreicht.<ref>{{Internetquelle|url=https://home.cern/news/news/experiments/awake-successfully-accelerates-electrons|titel=AWAKE successfully accelerates electrons|datum=2018-08-29|zugriff=2019-02-24}}</ref>

2020 beschrieb eine Hamburger Forschergruppe den erfolgreichen Dauerbetrieb eines Laser-Plasmabeschleunigers für Elektronen von etwa 370 MeV über mehr als 24 Stunden.<ref>A. R. Maier et al., Decoding sources of energy variability in a laser plasma accelerator. In: ''Physical Review X 10'', 031039 (2020)</ref>

== Literatur ==
F. Hinterberger: ''Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik''. 2. Auflage, Springer, 2008, ISBN 978-3-540-75281-3, S. 79

== Quellen ==
* {{Der Spiegel|ID=59890012|Titel=Teilchenschleudern zum Schnäppchenpreis|Autor=Spiegel|Jahr=2008|Nr=37|Seiten=}}
* Particle Beam Physics Laboratory: [http://pbpl.physics.ucla.edu/Research/Experiments/Advanced_Accelerators/Plasma_Acceleration/PBWA/ Plasma Acceleration]
* Spektrum der Wissenschaft, August 2006
* CERN Courier: [http://cerncourier.com/cws/article/cern/41714 Workshop pushes proton-driven plasma wakefield acceleration], abgerufen am 5. April 2010
* FACET Projekt: [http://facet.slac.stanford.edu/WhatIsFACET.asp What Is FACET?], abgerufen am 29. April 2011
* nature.com: [http://www.nature.com/ncomms/2013/130611/ncomms2988/full/ncomms2988.html Quasi-monoenergetic laser-plasma acceleration of electrons to 2&thinsp;GeV] über das Experiment in Texas, abgerufen am 25. Juni 2013
* CERN Courier: [http://cerncourier.com/cws/article/cern/54999 AWAKE: to high energies in a single leap], abgerufen am 12. Dezember 2013
* DESY Pressemeldung: [http://www.desy.de/aktuelles/@@news-view?id=6783 DESY-Gruppe entwickelt neues Injektionskonzept für die Plasmabeschleunigung], abgerufen am 12. Dezember 2013

== Weblinks ==
* [https://www.tu-darmstadt.de/media/illustrationen/referat_kommunikation/publikationen_km/themaforschung/2011_02/Forschen_02_2011_S52-57.pdf Erion Gjona, Thomas Weiland: ''Kompakte Teilchenbeschleuniger der Zukunft''] (Wissenschaftsmagazin der TU Darmstadt, Herbst 2011) Publikation der TU Darmstadt auf ''www.tu-darmstadt.de'' (PDF-Datei; 505&nbsp;kB)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Beschleunigerphysik]]