Ultrakompakte Beschleuniger | beschleunigerphysik.de

# Holraumresonatoren

In modernen Beschleunigern wie dem LHC, wie bei FAIR oder bei European XFEL erfolgt die Energieübertragung über ein elektrisches Wechselfeld im Innern von evakuierten metallischen Kammern. Dieses Feld schwingt mit Frequenzen im Mikrowellenbereich und wird durch die Einspeisung von Mikrowellen in die Hohlkammern hervorgebracht. Dieses Verfahren ist seit 1951

# Normal- oder supraleitend

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Für die metallische Hülle des Hophlraumes stehen zwei grundlegende Optionen zur Auswahl, die beide jeweils Vor- und Nachteile haben. Normalleitende Metalle wie Kupfer können bei Raumtemperature betrieben werden, während supraleitende Niob auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunktes gekühlt werden muss.

# Limitierender Faktor

Je stärker das Wechselfeld, umso größer die Beschleunigung. Die Feldstärke kann jedoch nicht beliebig erhöht werden, da es spätestens ab einer Feldstärke von über 100 Megavolt pro Meter zu Blitzentladungen kommt.

Proposed colliders like the International Linear Collider aim to investigate physics at the Higgs scale—around 125 GeV. To reach that energy, electrons and positrons would each have to travel through about 8 miles of cavities. Unless the accelerating technology improves, machines will have to get larger and larger to reach higher energies where physics beyond the Standard Model may be hidden.

# Normal- oder supraleitend

# Plasmabasierte Beschleuniger

Teilchenbeschleuniger auf Plasmabasis versprechen tausendmal höhere Beschleunigungsfelder als herkömmliche Hohlraumresonatoren. Als »Kavität« dient in einem Plasma-basierten Beschleuniger ein nur wenige Zentimeter langes Plasma, in dem durch einen externe Treiber eine Region mit Ladungstrennung entsteht in deren Inneren extrem hohe Feldstärken herrschen. Je nach Art des Treibers unterscheidet man zwischen laser- und teilchenstrahlgetriebenen Plasmawakefieldbeschleunigung.

# Teilchen-Plasma-Beschleuniger

Teilchenstrahlgetriebene Plasmawakefieldbeschleunigung (PWFA) ermöglicht die Skalierung von plasmabasierten Beschleunigungsprozessen zu hohen Energien (von GeV zu TeV), zu hohen Wiederholraten (bis zu MHz), zu hohen Effizienzen (bis zu ~10%) und zu hohen Durchschnittsleistungen (von W zu kW bis MW) unter Anwendung und Weiterentwicklung existierender technologischer Konzepte. Damit ist diese Art der Teilchenbeschleunigung insbesonders interessant für zukünftige Anwendungen in der Hochenergiephysik. Derzeit existieren zwei für die Deutsche Wissenschaftsgemeinde zukunftsweisende Projekte, AWAKE am CERN, Genf, und FLASHForward am DESY, Hamburg, die hochrelevante strategische Entwicklungen auf dem Gebiet der PWFA im Laufe der nächsten 10 Jahre ermöglichen werden. AWAKE zielt unter Nutzung der existierenden hochenergetischen Protonenstrahlen am CERN zur Elektronenbeschleunigung auf die Demonstration des maximalen Energiezuwachses in einer einzelnen Plasmastufe. Erste Physikanwendungen bei hohen Energien (>100 GeV) werden voraussichtlich um 2030 möglich sein. Dazu vollständig komplementär entwickelt FLASHForward eine kaskadierbare Plasmastufentechnologie zur Elektronenbeschleunigung im multi-GeV Bereich, die auf maximale Effizienz, Wiederholrate, und Durchschnittsleistungen im 10 kW Regime fokussiert. Die Demonstration einer einzelnen Stufe soll bis 2028 abgeschlossen sein. Diese Technologie könnte als Nachbeschleuniger in existierenden Linearbeschleunigern eingesetzt werden (z.B. für Freie-Elektronen-Laser) und soll im dann folgenden Jahrzehnt für den Einsatz in der Hochenergiephysik vorbereitet werden.

# PWFA

Erste Physikanwendungen bei hohen Energien (>100 GeV) werden voraussichtlich um 2030 möglich sein. Dazu vollständig komplementär entwickelt FLASHForward eine kaskadierbare Plasmastufentechnologie zur Elektronenbeschleunigung im multi-GeV Bereich, die auf maximale Effizienz, Wiederholrate, und Durchschnittsleistungen im 10 kW Regime fokussiert. Die Demonstration einer einzelnen Stufe soll bis 2028 abgeschlossen sein. Diese Technologie könnte als Nachbeschleuniger in existierenden Linearbeschleunigern eingesetzt werden (z.B. für Freie-Elektronen-Laser) und soll im dann folgenden Jahrzehnt für den Einsatz in der Hochenergiephysik vorbereitet werden.

# Laserplasmabeschleuniger

Der weltweite Fortschritt in Stabilität und Qualität lasergetriebener Wakefieldbeschleunigung (LWFA) erlaubt heute die systematische Vorbereitung der nächsten Generation von Plasmabeschleunigern mit dem Ziel, kompakte und damit dezentral einsetzbare Anlagen für wissenschaftliche und gesellschaftsrelevante Anwendungen zu entwickeln. Basis für Deutschalands aktuell führende Rolle ist die Kombination aus in Verbünden entwickelter innovativer Diagnostik des Lasers und des Plasmas auf mikroskopischer Skala, aus dedizierter Methodenentwicklung für größte Comuptersimulationen und modernster zwischen Industrie und Forschung vernetzter Hochleistungslaserinfrastruktur. Meilensteine der Entwicklung dieser nächsten Generation von Plasmaelektronenbeschleunigern sind die Demonstration von FEL Verstärkung, die Kaskadierung von Plasmabeschleunigermodulen und ihre Ankopplung an klassische Maschinen, beispielsweise als kompakte Injektoren. Die zentrale Erhöhung der Pulswiederholrate stellt in allen Fällen hohe Anforderungen an die Laserentwicklung und an das Plasmatarget, eröffnet aber auch neue Möglichkeiten wie die Etablierung intelligenter Feedbacksysteme.

Für die Medizin stellen Laserionenbeschleuniger vielversprechende Alternativen im Strahlentherapieumfeld dar, wobei die Lösung zentraler Herausforderungen, die Wiederholfrequenz der zukünftig verfügbaren Hochleistungslaser, weiterer Grundlagenforschung bedürfen.

Ein Vorteil der LWFA sind die inherent entstehenden ultra-kurzen Elektronenpakete, denn diese sind eine Quelle für hoch-intensive THz Strahlung. Ein Nachteil besteht in der niedrigen Wiederholrate.
Speicherringe wiederum haben eine Wiederholrate im MHz Bereich, aber um mehrere Größenordnungen längere Elektronenpakete. Mit einem LWFA als Injektor für einen Speicherring könnten die Vorteile beider Technologien kombiniert werden.

Eine Herausforderung ist die große Energiebreite der Elektronenpakete, die eine Speicherung in konventionellen Ringbeschleunigern erschwert. Hierfür bedarf es weiterer Grundlagenforschung zur Entwicklung von Speicherringen mit großer Energie-Akzeptanz, wie sie Bereits im cSTART Projekt stattfindet.

Während der Technischen Design Phase von PETRA IV ist ebenfalls Grundlagenforschung für einen LWFA Injektor geplant.

# Dielectric

Eine weitere Methode für ultra-kompakte Kavitäten bilden dielektrische Materialien. Deswegen werden Beschleunigertechnologien bei höheren Frequenzen, im THz-Bereich bis hin zu optischen Frequenzen, gegenwärtig intensiv erforscht. Grund dafür ist, dass bei hohen Frequenzen kürzere Treiberimpulse (ns und sub-ns) möglich sind und sich dies vorteilhaft auf Durchbruchsfeldstärken und generell Zerstörschwellen von dielektrischen Materialen und Metallen auswirkt. Je nach Frequenz ermöglicht dies hoch-brillante ultrakurze Elektronenpakete mit Ladungen im Bereich von Femto- bis Pikocoulomb aus sehr kompakten Quellen um damit hochenergetische Elektronenquellen für Schlüsseltechnologien wie z.B. die ultraschnelle Elektronenbeugung oder Elektronenmikroskopie sowie kohärente Kurzpulsröntgenquellen für Röntgenanalytik bereitzustellen. Es muss dabei die gesamte Technologiekette von Hochleistungsquellen für die entsprechenden Wellenlängenbereiche bis hin zu neuen Elektronenquellen, Beschleunigerkomponenten sowie Diagnostiken für ultra-kurze Elektronenpakete und Simulationswerkzeugen in großem Umfang neu gedacht werden.