In den Vereinigten Staaten gibt es nur zwei Beschleuniger, die in der Lage sind, Teilchenstrahlen mit einer Leistung von 10 Milliarden Elektronenvolt zu erzeugen, und jeder ist etwa 1,9 Meilen (3 Kilometer) lang. „Wir können dieses Energieniveau jetzt innerhalb von 10 Zentimetern (4 Zoll) erreichen“, sagte der CEO von TAU Systems.
„So ein kompakter, fortschrittlicher Beschleuniger erfordert zum Betrieb auch einen riesigen Laser – in diesem Fall den Texas Petawatt Laser, der auf einer 34 Fuß (10 Meter) langen Bühne im High Energy Density Science Center der University of Texas in Austin untergebracht ist“, sagte der CEO von TAU Systems.
Als einer der leistungsstärksten Laser der Welt kann dieser „Gigant“ einen superstarken Laserstrahl mit etwa der 1.000-fachen Energie der in den Vereinigten Staaten installierten Kapazität aussenden, allerdings nur einmal pro Stunde und nur 150 Femtosekunden lang, was einem Milliardstel der Blitzentladungszeit entspricht.
Das Gerät von TAU ist weniger als 20 Meter lang und sendet Strahlen von bis zu 10 GeV aus. Es nutzt eine verbesserte Version der Ruofei-Beschleunigungstechnologie, die erstmals 1979 beschrieben wurde und derzeit von vielen Beschleunigerprogrammen verwendet wird.
Gewöhnliche Teilchenbeschleuniger bestehen eigentlich aus einer Reihe von Ringen, die Elektronen anziehen, wenn eine positive Spannung an sie angelegt wird. Die Ringe werden abwechselnd mit Energie versorgt und ziehen die Elektronen mit zunehmender Geschwindigkeit durch den Tunnel, wobei sich jeder Ring schließt, bevor die Elektronen eintreffen.
Laserbetriebene Beschleuniger verwandeln die Lichtimpulse mehr oder weniger in Elektromagnete mit Lichtgeschwindigkeit, sodass Teilchen ihnen folgen und über extrem kurze Distanzen außergewöhnliche Geschwindigkeiten und Energie erreichen können.
Das Gerät von TAU verwendet eine mit Heliumgas gefüllte Kammer. Wenn ein Petawatt-Laser einen Lichtimpuls durch diese Gase feuert, ionisiert die enorme Energie des Impulses das Gas zu einem Plasma. Während er sich durch das Plasma bewegt, hinterlässt der Impuls eine Spur, ähnlich der Spur, die ein Schiff hinterlässt, wenn es durch Wasser fährt, nur dass in diesem Fall eine extrem starke Spur aus Ladungsschwankungen entsteht.
Wenn ein Elektron genau im richtigen Moment injiziert wird, ziehen und schieben diese riesigen beweglichen Ladungen den Lichtpuls hinter sich her, entziehen dem ursprünglichen Laserpuls die Energie (aber nicht die Geschwindigkeit) und übertragen sie auf das beschleunigende Elektron, wodurch es über eine kurze Distanz auf „einen großen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit“ beschleunigt wird.
Der wichtigste Fortschritt von TAU bei diesem Gerät ist die Verwendung eines zusätzlichen Ablationslasers, der zeitlich genau abgestimmte Impulsfolgen auf eine Metallplatte in einer Gaskammer abfeuert und dabei einen Strom von Metallnanopartikeln in die Gaskammer injiziert, um die Energie der Elektronen zu erhöhen, während sie der Laserimpulsfolge folgen.
„Es ist schwer, in eine große Welle zu gelangen, ohne zerquetscht zu werden, deshalb werden Surfer von Jetskis in die Welle gezogen“, sagte Björn „Manuel“ Hegelich, außerordentlicher Professor für Physik an der University of Texas in Austin und CEO von TAU Systems. „Das Äquivalent eines Jetskis in unserem Beschleuniger sind Nanopartikel, die Elektronen zur richtigen Zeit und am richtigen Punkt freisetzen, also in der Welle sind.“ Wir können mehr Elektronen in die Welle bringen, wann und wo wir sie wollen, anstatt dass sie statistisch über die Wechselwirkung verteilt sind, und das ist das Geheimnis. "
Heglich und sein Team entwickeln ein eigenes Lasersystem in Desktop-Größe, das ihrer Meinung nach das gesamte System kompakter machen und tausende Male pro Sekunde statt einmal pro Stunde feuern soll.
Was nützen also ultrakleine hochenergetische Teilchenbeschleuniger? Möglicherweise wird es zum Antrieb von Freie-Elektronen-Röntgenlasern verwendet und könnte möglicherweise Zeitlupenvideos auf atomarer oder molekularer Ebene aufnehmen. Es könnte auch verwendet werden, um zu testen, ob in der Raumfahrt verwendete elektronische Komponenten der Strahlung standhalten, eine dreidimensionale Abbildung der inneren Struktur von Halbleiterchip-Designs durchzuführen und möglicherweise neue Krebsbehandlungen und fortschrittliche medizinische Bildgebungstechniken zu entwickeln.
Die Forschungsarbeit des Teams wurde in der Zeitschrift Matter and Radiation at Extreme veröffentlicht.