Omdat ze veel compacter zijn dan de huidige versnellers, die kilometers lang kan zijn, plasmaversnellers worden beschouwd als een veelbelovende technologie voor de toekomst. Een internationale onderzoeksgroep heeft nu aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de verdere ontwikkeling van deze aanpak:met twee complementaire experimenten aan het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en aan de Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), het team was voor het eerst in staat om twee verschillende plasmatechnologieën te combineren en een nieuwe hybride versneller te bouwen. Het concept zou de ontwikkeling van een versneller kunnen bevorderen en, op de lange termijn, de basis worden van zeer briljante röntgenbronnen voor onderzoek en geneeskunde, zoals de experts beschrijven in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

In conventionele deeltjesversnellers, sterke radiogolven worden geleid in speciaal gevormde metalen buizen die resonatoren worden genoemd. De deeltjes die moeten worden versneld - die vaak elektronen zijn - kunnen op deze radiogolven rijden zoals surfers op een oceaangolf rijden. Maar het potentieel van de technologie is beperkt:als er te veel radiogolfvermogen in de resonatoren wordt gevoerd, bestaat het risico van elektrische ladingen die het onderdeel kunnen beschadigen. Dit betekent dat om deeltjes op hoge energieniveaus te brengen, veel resonatoren moeten in serie worden geschakeld, waardoor de huidige versnellers in veel gevallen kilometers lang zijn.

Daarom werken experts gretig aan een alternatief:plasmaversnelling. In principe, korte en extreem krachtige laserflitsen vuur in een plasma - een geïoniseerde toestand van materie bestaande uit negatief geladen elektronen en positief geladen atoomkernen. In dit plasma de laserpuls genereert een sterk wisselend elektrisch veld, vergelijkbaar met het kielzog van een schip, die elektronen enorm kan versnellen over een zeer korte afstand. In theorie, hierdoor kunnen faciliteiten veel compacter worden gebouwd, een versneller die tegenwoordig honderd meter lang is, krimpen tot slechts enkele meters. "Deze miniaturisering maakt het concept zo aantrekkelijk, " legt Arie Irman uit, een onderzoeker aan het HZDR Institute of Radiation Physics. "En we hopen dat zelfs kleine universitaire laboratoria zich in de toekomst een krachtige versneller kunnen veroorloven."

Maar er is nog een andere variant van plasmaversnelling waarbij het plasma wordt aangedreven door elektronenbundels met bijna de lichtsnelheid in plaats van krachtige laserflitsen. Deze methode biedt twee voordelen ten opzichte van lasergestuurde plasmaversnelling:"In principe het moet mogelijk zijn om hogere deeltjesenergieën te bereiken, en de versnelde elektronenbundels moeten gemakkelijker te controleren zijn, " legt HZDR-natuurkundige en hoofdauteur Thomas Kurz uit. "Het nadeel is dat op dit moment, we vertrouwen op grote conventionele versnellers om de elektronenbundels te produceren die nodig zijn om het plasma aan te drijven." FLASH bij DESY in Hamburg, bijvoorbeeld, waar dergelijke experimenten plaatsvinden, meet een goede honderd meter.

Hoge energie combinatie

Dit is precies waar het nieuwe project om de hoek komt kijken. "We vroegen ons af of we een veel compactere versneller konden bouwen om de plasmagolf aan te drijven, " zegt Thomas Heinemann van de Universiteit van Strathclyde in Schotland, die ook een primaire auteur van de studie is. "Ons idee was om deze conventionele faciliteit te vervangen door een lasergestuurde plasmaversneller." Om het concept te testen, het team ontwierp een geavanceerde experimentele opstelling waarin sterke lichtflitsen van HZDR's laserfaciliteit DRACO een gasstraal van helium en stikstof raakten, het genereren van een gebundelde, snelle elektronenbundel via een plasmagolf. Deze elektronenstraal gaat door een metaalfolie naar het volgende segment, met de folie die terugkaatst, flitst de laser.

In dit volgende fragment, de inkomende elektronenstraal ontmoet een ander gas, dit keer een mengsel van waterstof en helium, waarin het een nieuwe, tweede plasmagolf, andere elektronen in de turbomodus zetten over een bereik van slechts enkele millimeters, schiet een hoogenergetische deeltjesstraal naar buiten. "In het proces, we pre-ioniseren het plasma met een extra, zwakkere laserpuls, Heinemann legt uit. "Dit maakt de plasmaversnelling met de driver beam veel effectiever."

Turbo-ontsteking:bijna de lichtsnelheid binnen slechts één millimeter

Het resultaat:"Onze hybride versneller meet nog geen centimeter, " legt Kurz uit. "Het door een bundel aangedreven versnellergedeelte gebruikt slechts één millimeter ervan om de elektronen tot bijna de lichtsnelheid te brengen." Realistische simulaties van het proces tonen een opmerkelijke gradiënt van de versnellingsspanning in het proces, wat overeenkomt met een toename van meer dan duizend keer in vergelijking met een conventionele versneller. Om het belang van hun bevindingen te onderstrepen, de onderzoekers implementeerden dit concept in een vergelijkbare vorm bij de ATLAS-laser bij LMU in München. Echter, de experts hebben nog veel uitdagingen te overwinnen voordat deze nieuwe technologie kan worden gebruikt voor toepassingen.

In elk geval, de experts hebben al mogelijke toepassingsgebieden in gedachten:"Onderzoeksgroepen die momenteel geen geschikte deeltjesversneller hebben, kunnen deze technologie misschien gebruiken en verder ontwikkelen, " hoopt Arie Irman. "En ten tweede, onze hybride versneller zou de basis kunnen zijn voor wat een vrije-elektronenlaser wordt genoemd." Dergelijke FEL's worden beschouwd als stralingsbronnen van extreem hoge kwaliteit, vooral röntgenstralen, voor ultraprecieze analyses van nanomaterialen, biomoleculen, of geologische monsters. Tot nu, deze röntgenlasers vereisten lange en dure conventionele versnellers. De nieuwe plasmatechnologie zou ze veel compacter en kosteneffectiever kunnen maken - en misschien ook betaalbaar voor een gewoon universitair laboratorium.