ACHIP (Accelerator on a Chip International Program)

Seit Oktober 2015 beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe auch mit miniaturisierten Laserbeschleunigern für Elektronen, sogenannten DLAs (engl. Dielectric Laser Accelerators).

ACHIP in der hoch3 Forschen

In der Winterausgabe 2020 der hoch3 Forschen ist der Artikel „Teilchenbeschleuniger im Taschenformat“ über das ACHIP Programm erschienen.

Dielektrische Struktur zur nicht-resonanten Beschleunigung von Elektronen mit einem Laser, der hier als ebene Welle angenommen wird.

Diese Strukturen funktionieren ähnlich wie konventionelle Wideroe-Linearbeschleuniger nur dass die Frequenz von einigen hundert Megahertz auf einige hundert Terahertz (sichtbarer bzw. infrarot-Spektralbereich) skaliert wird. Daraus ergibt sich eine entsprechenden Strukturverkleinerung in den Mikrometerbereich (siehe Bild). Mit Hilfe der Gitterzähne in der Struktur werden die elektrischen (Nah-) Felder so geformt, dass ein Teilchen welches zum richtigen Zeitpunkt ankommt, eine starke Beschleunigung am Zahn erfährt. Im Zahnzwischenraum wird das Teilchen nur sehr leicht abgebremst was einer Driftröhre entspricht. Insgesamt erhält man also eine Netto-Beschleunigung. Eine sehr anschauliche Beschreibung ist in diesem YouTube Video zu finden.

Dielektrische Gitterstruktur zum Fokussieren bzw. Transportieren eines Elektronenstrahls. Oben: Teilchen-Tracking, Mitte: Elektrisches Laserfeld in Strahlrichtung.

Der Vorteil von DLAs besteht darin, dass mit modernen Lasersystemen, die bereits komerziell verfügbar sind, Feldstärken von >1GV/m erzeugt werden können. Weiterhin können Dielekrika auch deutlich höheren Feldstärken widerstehen (breakdown-limit) als Metalle. Moderne Mikrofabrikationstechnik, die aus der Halbleitertechnik bekannt ist, erlaubt es, Beschleunigerstrukturen auf einem Chip herzustellen.

Diese Entwicklung führte 2013 zur Messung von Rekordgradienten von ~300MV/m am SLAC für relativistische Elektronen. Ebenfalls wurden Rekordgradienten für die Beschleunigung nicht-relativistischer Elektronen an der FAU Erlangen sowie an der Stanford Universität erzielt.

Um ein praktisch verwendbares Beschleunigersystem zu entwickeln sind jedoch noch einige Hürden zu überwinden, welche besonders durch die Elektronenstrahlparameter definiert werden. Wegen der Tatsache, dass nur die Nahfelder zur Beschleunigung beitragen, muss die Apertur sehr kein (~1µm) gewählt werden. Weiterhin ist auch die zeitliche Länge der beschleunigenden Flanke nur ca 1fs, d.h. für einen effektiven Beschleunigungsvorgang muss der Strahl auf dieser Zeitskala gebuncht werden. Unsere Forschungen konzentrieren sich nun darauf, die wegen dieser Limitationen noch sehr niedrigen Strahlintensitäten in DLA Experimenten zu erhöhen.

Seit Oktober 2015 ist unsere Arbeitsgruppe Teil einer internationalen Kollaboration, die von der Gordon and Betty Moore Foundation gefördert wird (siehe Presseerklärung) und zum Ziel hat, einen Beschleuniger auf Chip- bzw. Tisch-Größe zu realisieren. Zum Start des neuen Projekts „Accelerator on a Chip“ (kurz ACHIP) wurde auch ein Artikel für die Homepage des Fachbereichs ETIT verfasst. Die Webseite der ACHIP Kollaboration findet man hier.

Die Aufgabe unserer Arbeitsgruppe in der Kollaboration ist sowohl die Feldsimulation wie auch die Simulation der Teilchendynamik in dielektrischen Beschleunigerstrukturen. Dies beinhaltet sowohl reine Tracking-Simulationen zur Bestimmung der nutzbaren Apertur, wie auch selbstkonsistente „particle in cell“ (PIC) Simulationen zur Quantifizierung von Intensitätseffekten. Weiterhin geht es auch um die Entwicklung lasergetriebener Fokusierstrukturen, die für den Transport nichtrelativistischer Elektronenstrahlen entscheidend sind (siehe Bild).