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 erfährt. Im Zahnzwischenraum wird das Teilchen nur sehr leicht abgebremst was einem Drift entspricht. Insgesamt erhält man wenn Gitterperiode, Wellenlänge und Teilchengeschwindikeit synchronisiert sind eine Netto-Beschleunigung. Eine sehr anschauliche Beschreibung ist in diesem YouTube Video zu finden.
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 Nanofabrikationstechniken, bekannt aus Halbleitertechnik und Photonik, erlauben es, Beschleunigerstrukturen auf einem Chip herzustellen.
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 in Pakete geformt werden. Unsere Forschungen konzentrieren sich darauf, einen längenskalierbaren Beschleuniger auf dem Chip zu entwickeln und die zur Zeit noch sehr niedrigen Strahlintensitäten in DLA Experimenten zu erhöhen.
Seit Oktober 2015 ist unsere Arbeitsgruppe Teil der internationalen ACHIP Kollaboration, die von der Gordon and Betty Moore Foundation gefördert wird und zum Ziel hat, einen Beschleuniger auf Chip- bzw. Tisch-Größe zu realisieren. 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 (siehe Bild), die für den Transport nichtrelativistischer Elektronenstrahlen entscheidend sind.
ACHIP in der hoch3 Forschen
In der Winterausgabe 2020 der hoch3 Forschen ist der Artikel „Teilchenbeschleuniger im Taschenformat“ (wird in neuem Tab geöffnet) über das ACHIP Programm erschienen.
Elektronenstrahldynamik in DLAs
Um einen längenskalierbaren Beschleuniger auf dem Chip zu erhalten, muss der Elektronenstrahl in einem Fokussierkanal gehalten werden. Da zur Beschleunigung nur die Nahfelder nutzbar sind ist dieser Kanal so klein, dass konventionelle Fokussierverfahren, wie z.B. Quadrupolmagnete, extrem stark sein müssten, um zu verhindern dass die Elektronen mit den Beschleunigungsstrukturen kollidieren. Durch Magnete kann das in der Praxis nicht realisiert werden. Die Laserfelder selbst stellen jedoch eine Möglichkeit dar, starke transversale Kräfte auf die Elektronen auszuüben. Um dies auszunutzen wurde das aus der konventionellen Ionenbeschleunigertechnik bekannte Verfahren „Alternating Phase Focusing“ (APF) auf DLA übertragen. Durch zusammenfassen der periodischen Strukturen in Blöcke mit wohldefinierten Phasensprüngen dazwischen, lässt sich wie für konventionelle Beschleuniger ein quasi-periodisches „Fokussierlattice“ integrieren, nur eben miniaturisiert auf dem Chip und ausschließlich vom Laser angetrieben. Das Verfahren wurde von uns erst im zweidmensionalen und dann im dreidimensionalen Sinne entwickelt.
Das 3D APF Verfahren erlaubt es den Elektronenstrahl auch in der vertikalen Richtung einzufangen, was vollständige längenskalierbarkeit des Beschleunigers ermöglicht. Kürzlich wurden die für 3D APF notwendigen Strukturen so ausgestaltet, dass sie auf sog. Silicon-On-Insulator (SOI) Chips mit einem Standardverfahren der Nanophotonik hergestellt werden können. Die für einen vollständig längenskalierbaren Beschleuniger auf dem Chip notwendigen 3D APF on SOI Strukturen wurden als Patent angemeldet. Durch vertikale Laserbeleuchtung der Beschleunigerchips wird der experimentelle Aufbau deutlich einfacher, da lateral und longitudinal höchste Genauigkeit intrinsisch durch den lithographischen Prozess erreicht werden und nur vertikale Korrekturen der Elektronenstrahlrichtung erforderlich sind.
Ein vollständiger Elektronenbeschleuniger auf dem Chip benötigt somit nur noch vertikale Korrektoren, was mit eletrostatischen Deflektoren direkt auf dem SOI Chip realisiert werden kann. Dazu kann ein zweiter Wafer von der Oberseite angefügt werden (siehe Bild).
Dieser Chip ist so ausgelegt, dass in jeder Stufe die Energie der Elektronen ungefähr verdoppelt wird. In ca 4-5 Stufen erreicht man somit von unter 100keV über 1 MeV. Die Anwendungen eines solchen Chips sind insbesondere in der ultraschnellen Elektronenbeugung, bzw. in sog. Pump-Probe Experimenten, die von der intrinischen Attosekunden-Zeitskala der DLA Elektronenpulse profitieren und in Zukunft kostengünstig in jedem Universitäts-Laserlabor durchgeführt werden könnten.
