Zwei Aspekte bestimmen die Zukunft der Teilchenbeschleuiger: Zum einen wird es vielleicht keine größere Maschine als den LHC mehr geben, denn die nächste Runde nach “herkömmlicher” Beschleunigertechnik müsste einfach so riesig sein, dass die Kosten nicht mehr zu bewältigen wären. Zwar ist noch ein Riesen-Linearbeschleuniger geplant, der International Linear Collider (ILC). Nachdem aber im vorletzten und letzten Jahr die Finanzierung, vor allem durch USA und UK, zusammengestrichen wurde, ist der Bau des 30-50 km langen Elektronenbeschleunigers unsicher geworden.

Zum anderen aber verlangen neue Applikationen – z.B. die Bestrahlungstherapie nach zusätzlicher Beschleunigerkapazität in niedrigeren Energieregionen, aber vor allem kompakter und billiger.


Bei der herkömmlichen Methode der Beschleunigung in einem elektrischen Feld ist eine klare Grenze gesetzt. Wenn ein zu hohes elektrisches Feld auf kurzer Strecke zwischen den Elektroden angelegt wird, schlägt der Strom als Funke durch.. Das Limit bei aktuell geplanten Beschleunigern wie dem ILC liegt bei 25 MeV pro Meter. Plasmabeschleuniger bieten eine Chance, wesentlich höhere elektrische Felder auf kurzen Strecken zu erreichen – und damit die Möglichkeit, der Grundstein für die nächsten Beschleunigergenerationen zu sein.


Wellenreiten im Plasma

Unter einem Plasma versteht man einen Materiezustand jenseits der im Alltag sichtbaren Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig. In einem Plasma herrscht eine so hohe Energiedichte, dass die Atome nicht mehr zusammenhalten. Stattdessen liegt ein Gas von Atomkernen (meistens Wasserstoff-Atomkernen, also Protonen) und Elektronen vor, im Prinzip sind also die Ladungsträger trennbar – und eine kleine räumliche Trennung einer solchen Plasmawolke würde riesige elektrische Felder bedeuten.

Ok, sagen wir, wir haben ein Plasma. Dann kommt das entscheidende Moment: Man schießt einen Laser- oder Teilchenstrahl in das Plasma. Der Effekt wird jeweils eine Trennung von Elektronen und Protonen sein, und ein starkes elektrisches Feld als Folge. Die Elektronen dürfen wellenreiten:

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Bildquelle: LBNL

Die “Bugwelle” des Lasers erzeugt Störungen, die manche der Elektronen des Plasma hinterherziehen und mitreißen. Man kann sich leicht denken, je weiter der Laser in das Plasma hineinkommt, desto mehr Beschleunigung kann erzielt werden. Der Durchbruch kam 2004 beim L’OASIS-Experiment am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Vorige Versuche, einfach mit stärkeren Lasern zu ballern, nur leichte Verbesserungen in der Beschleunigung erzielt hatten, denn die Laser verlieren recht schnell ihre Fokussierung.

L’OASIS und BELLA

Das Team unter der Leitung von Wim Leemans in Berkeley hatte eine neue Methode entwickelt, die erst einen Kanal ins Plasma legt. Grundsätzlich braucht man ein Röhrchen mit Wasserstoff-Gas, muss dann darin ein Plasma erzeugen und dann einenLeitung für die starke Laserwelle legen – man nennt das dann beispielsweise einen “gas-filled capillary discharge waveguide”. Diese Idee wurd in Oxford entwickelt: Das dünne, Wasserstoff-gefüllte Röhrchen ist mit Elektroden an jedem Ende ausgestattet. Man lässt es zu einer Entladung kommen, die durch das Röhrchen schlägt und Plasma und Kanal für den Laser erzeugt. Basierend auf diesen Entwicklungen wurde das Konzept für L’OASIS (Laser Optics and Accelerator Systems Integrated Studies) erstellt:

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Bildquelle: LBNL

Hier ist was passiert: Man schießt drei Laserpulse, von denen der erste (der “igniter pulse”) ein Plasma erzeugt, das sich wie eine Draht durch das Gas zieht. Das soll der Kanal für den treibenden Laser (den “drive pulse”) sein. Die Forscher vergleichen das mit einem Glasfaserkabel, und um das zu bilden folgt senkrecht zum “igniter pulse” ein “heater pulse”, der die Plasmadichte im Kanal ändert: dichter am Rand, weniger dicht in der Mitte, als Führung für den “driver pulse”, der so über eine lange Strecke kohärent bleiben und mehr Elektronen mitreißen kann.

Der Eerfolg war … durchschlagend … und hat es sogar in den Economist geschafft. Der treibende Laser mit 40 Terawatt Leistung (natürlich nur ein einem ultrakurzen Puls), trieb Elektronen zu einem GeV! Die dazu benötigte Beschleunigerstrecke: 3 ZENTIMETER!

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Kommentare (5)

  1. #1 Andi
    08/16/2009

    Wow, das klingt alles sehr interessant. Und von Plasmabeschleunigern hatte ich tatsächlich in dieser Gänze noch nicht gehört – Danke dafür!

  2. #2 Ludmila Carone
    08/17/2009

    Hmm…Kann man sagen, dass die Elektronen auf dem Plasma surfen? Hört sich für mich jedenfalls so an.

    Gerade für die Medizin wären solche Teile schon spannend. Wir reden hier von Menschen mit inoperablen Tumoren – so weit ich weiß. Ich weiß gar nicht, wie lange die Warteliste für eine solche Behandlung und wie teuer die ist. Aber jeder Fortschritt auf dem Gebiet ist zu begrüßen.

  3. #3 Jörg
    08/17/2009

    Ja, die Elektronen surfen sozusagen auf der Lichtwelle.

    Wir reden hier von Menschen mit inoperablen Tumoren – so weit ich weiß.

    Ich weiß es nicht genau, soweit ich gelesen habe sind es zunächst einfache, gekapselte Tumore wie Prostata-Krebs die sich da eignen. Aber die Methode ist ja wirklich noch ganz neu in der breiten Anwendung (also generell die Protonentherapie). Hätten wir gut einen Medizinblogger, der sich mit so etwas besser befassen könnte :/
    Der englische Wikipedia-Eintrag zu “proton therapy” ist ziemlich verwüstet von irgendwelchen “kritischen” Stimmen:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Proton_therapy

  4. #4 Ludmila Carone
    08/17/2009

    Ne Freundin von mir hat mal in Frankreich an so etwas gearbeitet und die sprach von Gehirntumoren. Das tolle an der Protonentherapie ist wohl, dass man die Protonen so einstellen kann, dass sie wirklich nur im Tumor wirken und das umliegende Gewebe nicht beschädigen. Kann ich aber wie gesagt jetzt nur aus dritter Hand sagen.

    Aber am GSI in Darmstadt werden Bestrahlungen von Tumoren mit Ionen im Kopf- und Halsbereich tatsächlich gemacht:
    http://www.gsi.de/portrait/Broschueren/ionenstrahlen.html

  5. #5 Jörg
    08/17/2009

    Ich hab ein bißchen was geschrieben zur Protonentherapie
    http://www.scienceblogs.de/diaxs-rake/2009/08/beschleuniger-in-der-krebsbehandlung-hadronentherapie.php

    Aber natürlich auch nicht zu den medizinischen Aspekten.