Ultrakompakte Beschleuniger
# PWFA
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.
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 laserplasmabasierter Beschleunigungsprozesse 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 unsere 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 kompak- te Injektoren, sowie. 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. Laserio- nenbeschleuniger stellen vielversprechende Alternativen im Strahlentherapieumfeld dar, die zentrale Herausforderung ist das Skalierung von Protonenenergien und der Betrieb Debris-kontrollierter dichter Targets.
Laserionenbeschleuniger stellen vielversprechende Alternativen im Strahlentherapieumfeld dar, die zentrale Herausforderung ist das Skalierung von Protonenenergien und der Betrieb Debris-kontrollierter dichter Targets.
Parallel dazu sollte die Grundlagenforschung im Bereich Laserplasmabeschleuniger wie z.B. ELIMED weiter gefördert werden, da diese Technologie für die Medizin – langfristig gesehen – noch große Bedeutung gewinnen kann, auch wenn hier der Blick über die Perspektive 2030 hinausreichen sollte. Noch sind etliche Fragestellungen zu klären wie z.B. die Energieverteilung und Pulsstruktur sowie die Wiederholfrequenz der zukünftig verfügbaren Hochleistungslaser.
# Dielectric
Beschleunigertechnologien bei höheren Frequenzen, im THz-Bereich bis hin zu optischen Frequenzen 0.1 – 300 THz, werden 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. Es wird erwartet, dass sich damit Beschleuniger und Elektronenquellen mit Beschleunigungsfeldstärken von mehreren GV/m und gleichzeitig hoher Emittanz realisieren lassen. 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 kleine Elektronenpakete und Simulationswerkzeugen in großem Umfang neu gedacht werden.