Strukturierte Plasmen zur Laserbasierte Steuerung von Elektronenstrahlen

• Antragsteller: Dr. Robert Shalloo
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 531352484

Laserplasmabeschleuniger (LPB) sind eine aufstrebende Technologie, die hochenergetische Femtosekundenlaser mit Plasmen kombiniert, um Elektronen innerhalb weniger Zentimeter auf relativistische Energien zu beschleunigen. Die Nutzung von Plasmen ermöglicht es Beschleunigungsgradienten von hunderten von GV/m zu erreichen, was mehr als drei Größenordnungen über den Gradienten von konventionellen Beschleunigern liegt. LPB als neue Generation ultrakompakter Strahlungsquellen eröffnen die Möglichkeit Beschleuniger mit Energien im GeV-Bereich nicht nur in großen Forschungszentren zu betreiben, sondern auch in Universitäten, Krankenhäusern oder Betrieben. Damit wird die Verfügbarkeit der erzeugten Strahlen über die Grundlagenforschung hinaus in Bereiche mit hohem gesellschaftlichen Nutzen, wie der Medizin und der Industrie ermöglicht. Ein wichtiges kurzfristiges Ziel ist die Realisierung eines Röntgen-Freien-Elektronen-Lasers (Röntgen-FEL) basierend auf einem LPB, der Elektronenenergien von mehreren GeV erreicht. Mit diesen Energien können Wellenlängen von wenigen Nanometern erreicht werden, was den FEL-Betrieb im sogenannten Wasserfenster ermöglicht. Durch die Reduzierung der Fläche und der Kosten, die ein solcher LPB-basierter Röntgen-FEL ermöglichen würde, könnte sich die Verfügbarkeit von Röntgenquellen der vierten Generation drastisch erhöhen. Dies würde auch einen wichtigen Meilenstein zur Anwendung der Plasmatechnologie darstellen. Die drängendste Herausforderung für die Realisierung dieses ambitionierten Zieles ist die zuverlässige Erzeugung und Kontrolle von Elektronenstrahlen, die sowohl Energien von mehreren GeV erreichen, als auch den hohen Qualitätsansprüchen genügen, die für einen FEL benötigt werden. Die Erzeugung von solch hochenergetischen und hochqualitativen Elektronenstrahlen mit LPB wurde allerdings bisher nur unabhängig voneinander demonstriert. Das Ziel dieses Projektes ist die zuverlässige Erzeugung von hochenergetischen Elektronenstrahlen im GeV-Bereich bei gleichzeitig ausreichend hoher Qualität, die den Betrieb eines Röntgen-FEL im Wasserfenster ermöglichen kann. Erreicht wird dieses Ziel durch die programmatische optische Strukturierung der dreidimensionalen Plasmadichte mit beispielloser Genauigkeit und präziser Kontrolle über die Laserausbreitung durch das Plasma. Die optische Strukturierung des Plasmakanals erfüllt dabei zwei kritische Aufgaben: 1. Die Steuerung des Hochintensitätslasers über mehrere Zentimeter zur Erreichung höherer Elektronenenergien, sowie 2. die Umsetzung einer neuen Technik zur Injektion eines hochqualitativen Elektronenstrahls zu Beginn des Plasmakanals. Zusätzlich werden Methoden des maschinellen Lernens zur simultanen Kontrolle und Optimierung der Laser- und Plasmaparameter eingesetzt, um so Kiloampere-Elektronenstrahlen zu Energien von mehreren GeV und Emittanzen unterhalb von Mikrometern in einem wenigen Zentimeter langen Plasmakanal zuverlässig zu beschleunigen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen