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ACHIP: Elektronenbeschleunigung mit Laserstrahlung

ACHIP: Beschleuniger auf einem Chip: Dielektrische Laser Beschleuniger

Teilchenbeschleuniger sind ein aufregendes Forschungswerkzeug, um hochenergetische Teilchenstrahlen mit einer hohen Helligkeit zu erzeugen, welche zur Untersuchung von physikalischen Phänomenen verwendet werden können, die ansonsten nicht zugänglich wären. Jedoch beschränken die hohen Kosten und hohe Nachfrage nach Messzeit mit modernen Radio-Frequenz basierten Beschleunigern die allgemeine Verfügbarkeit. Um einen Beschleuniger auf die Größe eines Universitätslabors zu verkleinern, muss ein völlig neuartiges Beschleunigerdesign entwickelt werden.
Ein solches Design, dessen Entwicklung seit kurzem von der Gordon und Betty Moore Stiftung finanziert wird (Pressemitteilung), ist der Dielektrische Laser Beschleuniger oder kurz „DLA“ (engl. Dielectric Laser Accelerator). DLAs profitieren sowohl von den GV/m starken elektromagnetischen Feldern kommerziell erhältlicher Laser, sowie von den von der Halbleiterindustrie entwickelten fortschrittlichen Nanofabrikationstechniken dielektrischer Materialien. Die zur Verfügung stehenden hohen elektromagnetischen Felder werden genutzt, um Beschleunigungsgradienten zu erreichen, welche die von Radio-Frequenz-Beschleunigern um das hundertfache übertreffen. Auch wenn DLAs einige Größenordnungen kleiner sind als ihre RF Pendants, erlauben ihre Beschleunigungsgradienten einen annähernd gleichgroßen Energieübertrag an geladene Teilchen. Anstatt diesen Energiegewinn auf einigen Metern zu übertragen, reduzieren DLAs die Übertragungsstrecke auf einige Millimeter, was Hochenergieteilchenbeschleuniger im Universitätslabormaßstab potenziell möglich macht.

Ein Beispiel für einen Dielektrischen Laser Beschleuniger, welcher sich auf dem dünnen Streifen des in dem im Bild gezeigten Siliziumstücks befindet. Das Siliziumstück im Vergleich zu einer Centmünze. (bild: FAU/Joshua McNeur)

 

Ein DLA abgebildet mit hoher Vergrößerung und ein Haar als Größenvergleich. (Bild: FAU/Joshua McNeur)

 

Die DLAs, welche an der FAU getestet werden, funktionieren wie folgt: Ein einlaufender Laserpuls trifft auf das nanometergroße Siliziumgitter, wo sie propagierende Wellenmoden nahe der Gitteroberfläche anregen (wie unten gezeigt). Elektronen, welche sich knapp über dem Gitter entlang bewegen, surfen auf eine der angeregten Moden wenn ihre Geschwindigkeit mit der Phasengeschwindigkeit der propagierenden Welle übereinstimmt. Auf diese Art erfahren die Elektronen eine Beschleunigung. (siehe video).

Ein Laser trifft von oben auf das Siliziumgitter (Strukturperiode und Gitterhöhe d eingezeichnet), wo die sich bewegenden Wellenmoden angeregt werden. Dies ist durch blaue und rote Regionen in der unteren Abbildung dargestellt, welche den Querschnitt zweier Perioden des Beschleunigers zeigt. Ein Elektron, dargestellt durch einen grünen Kreis, bewegt sich nach rechts und surft dabei auf der sich ebenfalls nach rechts bewegenden Welle. (Bild: FAU/Joshua McNeur)

Es wurde bereits wiederholt bestätigt, dass dieses Beschleunigerprinzip für einen großen Bereich von Elektronengeschwindigkeiten ( von 15% bis 100% Lichtgeschwindigkeit) und Laser funktioniert[1,2,3,4]. Das Achip Projekt zielt darauf ab, den Erfolg von DLAs weiter voranzutreiben, bis hin zur Realisierung eines Analogons zu einer Beschleunigerstrahllinie . Multiple Sektionen, basierend auf Dielektrischer Laser Beschleunigung, Fokussierung und Diagnostizierung werden entwickelt und getestet. Zusätzlich lässt sich möglicherweise auch eine Laser-getriggerte Elektronenkathode, welche für den Einsatz mit DLAs geeignet ist, mit den multiplen Sektionen verbinden. Dies würde zu einer Strahllinie führen, in der Elektronen durch Laser-getriggerte Emission erzeugt, dann abwechselnd beschleunigt, kollimiert und charakterisiert werden. Dies geschieht durch eine Reihe von DLA-basierten Instrumenten. Der hypothetische Aufbau eines solchen Gerätes ist unten dargestellt.

Ein DLA-basierter Linearbeschleuniger, bestehend aus einem einzelnen Pumplaser, einer Laser-getriggerten Elektronenquelle (A), Beschleunigungssektionen für subrelativistische Elektronen (B1-B3),fokussierende/kollimierende dielektrische Laserelemente (F1-F3), einem Beschleuniger für Elektronen nahe der Lichtgeschwindigkeit (C) und einem Undulator (U) mit der Fähigkeit XUV Licht zu generieren. (Bild:FAU)

Der resultierende Strahl könnte dann als hoch intensive Lichtquelle genutzt werden, indem man ein Element verwendet, welches die Elektronen in der Ebene transversal zu ihrer Bewegungsrichtung auf und ab bewegt. Diese Bewegung erzeugt Photonen wenn der Elektronenstahl seine Richtung ändert. Die kompakte Größe einer solchen Strahllinie und seiner verschiedenen Komponenten erlaubt viele aufregende Anwendungen, angefangen von tragbaren MeV Elektronenquellen zur Tumorbestrahlung bis hin zu Freien-Elektronen-Lasern die auf einen Labortisch passen[5].
Wir freuen uns im November 2015 den Beginn einer internationalen Kollaboration bekannt geben zu dürfen, um die ambitionierten Ziele für DLAs zu verwirklichen. Neben der Gruppe der FAU nehmen an der Kollaboration teil:

EPFL (L. Rivkin)

PSI (R. Ischebeck)

Hamburg University (F. Kaertner)

DESY (R. Assmann, I. Hartl)

TU Darmstadt (O. Boine-Frankenheim)

SLAC (J. England, S. Tantawi)

Stanford University (B. Byer, S. Fan, J. Harris, O. Solgaard, J. Vuckovic)

UCLA (P. Musumeci)

Purdue University (M. Qi)

Tech-X (B. Cowan)

Die AChIP Mitglieder (Bild: SLAC National Accelerator Laboratory)

[1] J. Breuer and P. Hommelhoff, “Laser-Based Acceleration of Nonrelativistic Electrons at a Dielectric Structure,” Physical Review Letters 111, 134803 (2013)

[2] E. A. Peralta, K. Soong, R. J. England, E. R. Colby, Z. Wu, B. Montazeri, C. McGuinness, J. McNeur, K. J. Leedle, Walz, E. B. Sozer, B. Cowan, B. Schwartz, G. Travish R. L. Byer, “Demonstration of Electron Acceleration in a Laser-Driven Dielectric Micro-Structure,” Nature 503, 7474 (2013).

[3] K. J. Leedle, A. Ceballos, H. Deng, O. Solgaard, R. Pease, R.L. Byer, J. Harris, “Dielectric Laser Acceleration of sub-100 keV Electrons with Silicon Dual Pillar grating Structures,” Optics Letters 40 18 (2015).

[4] J. McNeur, M. Kozak, D. Ehberger, N. Schönenberger, A. Tafel, A. Li, P. Hommelhoff, “A Miniaturized Electron Source Based on Dielectric Laser Accelerator Operation at Higher Spatial Harmonics and a Nanotip Photoemitter,” J. Phys. B, accepted.

[5] R. J. England, R. J. Noble, K. Bane, D.H. Dowell, C. Ng, J.E. Spencer, S. Tantawi, Z. Wu, R. L. Byer, E. Peralta, K. Soong, C. Chang, B. Montazeri, S.J. Wolf, B. Cowan, J. Dawson, W. Gai, P. Hommelhoff, Y. Huang, C. Jing, C. McGuiness, R. B. Palmer, B. Naranjo, J. Rosenzweig, G. Travish, A. Mizrahi, L. Schachter, C. Sears, G. R. Werner, R. B. Yoder. “Dielectric Laser Accelerators,” Rev. Mod. Phys. 86, 1337 (2014).