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Into the Future with Metrology - The Challenges of Medical Technology

Strahldiagnostik für zukünftige Beschleuniger im Tischformat

Ein Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der PTB hat eine Methode entwickelt, mit der Anwendungen von „Teilchenbeschleunigern im Tischformat“ für Medizin und Forschung näher rücken.

Gemeinsame Presseinformation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)
30.09.2021

Seit Jahrzehnten wurden Teilchenbeschleuniger immer größer. Inzwischen haben Ringbeschleuniger mit Umfängen von vielen Kilometern eine praktische Grenze erreicht. Auch Linearbeschleuniger im GHz-Bereich erfordern sehr große Baulängen. Seit einigen Jahren gibt es jedoch eine Alternative: „Teilchenbeschleuniger im Tischformat“, die auf der Laseranregung von Kielwellen in Plasmen (laser wakefield) basieren. Solche kompakten Teilchenbeschleuniger wären insbesondere für künftige beschleunigergetriebene Lichtquellen interessant, werden aber auch für die Hochenergiephysik untersucht. Ein Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hat eine Methode entwickelt, um den Querschnitt der so beschleunigten Elektronenpakete präzise zu vermessen. Dadurch rücken Anwendungen dieser neuen Beschleunigertechnologien für Medizin und Forschung näher. 

Die Simulation zeigt das Prinzip eines Laser-Wakefield-Beschleunigers: Der Laserpuls (nicht abgebildet) bewegt sich nach rechts und verdrängt alle Plasmaelektronen aus seiner Bahn. Dabei erzeugt er Blasen aus positiv geladenen Ionen, deren starke elektrische Felder Elektronen anziehen und beschleunigen, während sie mit dem Laserpuls mitfliegen. (Bildrechte: Joshua Ludwig, cc 4.0 Wikimedia)

Aus den Interferenzmustern bei unterschiedlichen Brennweiten und Photonenintensitäten lassen sich Aussagen über die Qualität des Strahls gewinnen. (Bildrechte: https://www.nature.com/articles/s42005-021-00717-x)

Das Prinzip der Laser-Wakefield-Beschleuniger: Ein Hochleistungslaser regt in einem Plasma eine Ladungswelle an, die sich mit der Geschwindigkeit des Laserpulses fortpflanzt und ihrem „Kielwasser“ Elektronen hinterherzieht und so beschleunigt. Elektronenenergien im GeV-Bereich können mit dieser Technik schon seit längerem erreicht werden. Allerdings sind die so erzeugten Elektronenpakete bisher zu klein und zu schlecht fokussiert, um die von ihnen abgegebene Synchrotronstrahlung zu nutzen, ein intensives, kohärentes Licht, das für die Forschung in vielen unterschiedlichen Disziplinen eingesetzt wird.

Für die Weiterentwicklung der Technik ist daher eine Methode notwendig, um Querschnitt und Qualität der Elektronenpakete individuell präzise zu messen und zu kontrollieren. Der Speicherring der PTB, die Metrology Light Source (MLS), erlaubt in flexiblem Forschungsbetrieb die Erzeugung von kleinen Elektronenpaketen, die denen der Laser-Wakefield-Beschleuniger sehr ähnlich sind, deren Eigenschaften aber sehr reproduzierbar und genau eingestellt und variiert werden können. Ein Team am HZB und an der PTB hat nun eine Methode entwickelt, um die laterale Ausdehnung des Elektronenstrahls eines Laserplasma-Beschleunigers mit einer Auflösung im Mikrometerbereich zu messen.

„Dabei nutzen wir eine Technik, die erfolgreich am Speicherring Bessy II eingesetzt wird“, erklärt Thorsten Kamps, Ko-Autor der Studie. Erstautor Ji-Gwang Hwang hatte die Idee, im sichtbaren Bereich die kohärente Strahlung der Elektronenpulse über das Phänomen der Interferenz (Doppelspalt) zu nutzen und den Strahlquerschnitt als Abweichung von einer perfekt punktförmigen Quelle zu ermitteln. Mithilfe einer hochempfindlichen Kamera und komplexer Algorithmen gelang es dem Team, die laterale Strahlgröße im Bereich von wenigen Mikrometern zu messen. Die Messungen selbst hat Katharina Albrecht im Rahmen ihrer Bachelorarbeit in Physik durchgeführt. „Wir haben für dieses Projekt sehr eng mit unseren Kollegen von der (MLS) an der PTB zusammengearbeitet“, betont Kamps. „Dort ist es an einer Beamline möglich, den Elektronenstrahl aus einem Plasma-Beschleuniger zu imitieren und so die Methode unter realistischen Bedingungen zu testen“, sagt Kamps.

ptb/hzi

 

Die wissenschaftliche Veröffentlichung
Ji-Gwang Hwang, Katharina Albrecht, Arne Hoehl, Beñat Alberdi Esuain, Thorsten Kamps: Opens external link in new windowMonitoring the size of low-intensity beams at plasma-wakefield accelerators using high-resolution interferometry. Communications Physics (2021)   

Anmerkung
Die hier geschilderte Arbeit findet im Rahmen des Projekts Opens external link in new windowATHENA – „Accelerator Technology Helmholtz Infrastructure“ statt. Das ist eine neue Forschungs- und Entwicklungsplattform der Helmholtz-Gemeinschaft für Beschleunigertechnologien. Auf Grundlage innovativer plasmabasierter Teilchenbeschleuniger und hochmoderner Lasertechnologie sollen zwei Leuchtturmprojekte aufgebaut werden: bei DESY in Hamburg eine Elektronen- und in Dresden eine Hadronenbeschleunigeranlage. An beiden Anlagen sollen verschiedene Einsatzgebiete entwickelt werden, die von einem kompakten Freie-Elektronen-Laser über neuartige medizinische Anwendungen bis hin zu neuen Einsatzmöglichkeiten in Kern- und Teilchenphysik reichen. 

 

Ansprechpartner bei der PTB
Arne Hoehl, Arbeitsgruppe 7.11 IR-Spektrometrie, Telefon: (030) 3481-7181, Opens local program for sending emailarne.hoehl(at)ptb.de

 

Lesetipp
Spektrum der Wissenschaft_ 2021/10: Opens external link in new windowTeilchenschleudern der anderen Art
Mit Plasmawellen bringen »Kielfeldbeschleuniger« Teilchen über wenige Meter auf Energien, für die bislang Kilometer nötig waren. Dank der neuen Technologie könnten Forschungsanlagen deutlich kompakter und leistungsfähiger werden.