Je leest:

Surfende elektronen

Surfende elektronen

Auteur: | 13 september 2010

Om minuscule deeltjes te versnellen, moet je onhandig grote apparaten bouwen – denk aan de LHC in Genève. Maar het kan ook anders. Natuurkundige Walter van Dijk van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) werkte aan een versneller waarin elektronen al surfend op de hekgolf van een laserpuls aan vaart winnen. Hij promoveerde eind augustus op deze laserversneller.

Door de media-aandacht voor de Large Hadron Collider (LHC) in Genève denken de meeste mensen bij het woord ‘deeltjesversneller’ waarschijnlijk aan tientallen kilometers lange, miljardenverslindende installaties. Hoewel LHC een uitzonderlijk geval is, hebben ook versnellers voor bescheidenere toepassingen zoals bestraling van tumoren met versnelde protonen, of het opwekken van straling voor materiaalonderzoek een allesbehalve handzaam formaat, vertelt dr.ir. Walter van Dijk. “Ze zijn vaak zo groot dat je er een volledig instituut omheen moet bouwen.”

De deeltjesversneller in Genève is gebouwd voor het opzwepen van deeltjes tot astronomische energieën. Hij ligt zo’n 175 meter onder de grond, in een tunnel met een omtrek van 27 kilometer.
CERN

Maar het kan ook anders. De omvang van ‘conventionele’ versnellers hangt samen met de maximale spanning die je tussen twee metalen platen kunt aanleggen, legt Van Dijk uit. “Dat is maximaal honderd miljoen volt per meter; daarboven krijg je last van doorslag.” Elektronen schieten dan spontaan uit de platen los en creëren een plasma dat veel schade aanricht. Vandaar dat versnellers zo groot zijn: als de versnelling per meter (evenredig met de aangelegde spanning) zijn limiet bereikt, is de enige overgebleven optie het verlengen van de versneller.

Behalve natuurlijk als je een radicaal andere methode gebruikt, zoals Van Dijk en zijn collega’s. Zij bouwden een laserversneller in de cyclotron op het TU/e-terrein. Hierin worden elektronen versneld in een haardun plasmabuisje van een paar centimeter lang.

Surfen op de golven

Wat is de magische truc? “Bij laserversnellers begin je met het plasma dat je in conventionele versnellers juist wilt vermijden”, vertelt Van Dijk. Het plasma fungeert als een ‘zee’ waarin een elektromagnetische golf wordt opgewekt. Daarop kunnen de elektronen al ‘surfend’ aan snelheid winnen.

De elektrische golven worden gecreëerd met een ultrakorte laserpuls, die door het plasmabuisje wordt geschoten. De laserpuls duwt elektronen weg uit de plasmazee, waarna deze losgetrokken elektronen (niet te verwarren met de te versnellen elektronen, die van buitenaf worden geïnjecteerd) worden teruggetrokken door het achtergebleven plasma. De elektronen schieten echter door en blijven nog een tijdje naschommelen. Deze golfbeweging veroorzaakt een elektrische golf in het kielzog van de laserpuls.

Dit is een illustratie van een elektrische golf achter een laserpuls. De laserpuls (roze ellips) heeft zich van links naar rechts verplaatst en heeft elektronen weggeduwd. Die worden achter de puls weer naar binnengetrokken, maar gaan te snel, waardoor ze doorschieten (blauwe pijlen). Door het heen- en weerschieten ontstaat een elektrische golf.
Reitsma – 2002

Vervolgens komen de te versnellen elektronen, de ‘surfers’, in beeld: die worden met een elektronenkanon (een kleine conventionele versneller) met precies de juiste snelheid binnengeschoten, zodat ze worden opgepikt door de elektrische golf. Net zoals een golfsurfer dat op de Hawaïaanse golven doet.

Ook echte golfsurfers maken gebruik van de snelheid van de golf om zichzelf te versnellen.
Flickr: chatfly

“Als je de elektronen te weinig snelheid meegeeft, spoelt de golf gewoon over ze heen. Sterker nog: dan worden de elektronen loodrecht op de bewegingsrichting van de golf weggeduwd. Gaan ze te snel, dan surfen ze tegen het volgende golffront op.” Hebben de elektronen echter precies de goede snelheid (in te stellen door de elektrische spanning in het elektronenkanon aan te passen), dan worden ze opgepikt door de golf en winnen ze, naar beneden surfend vanaf het golffront, steeds meer snelheid, totdat ze versneld en al uit de golf tevoorschijn komen.

Klein en krachtig

Hoewel het idee van laserversnellers al in 1979 werd gelanceerd, is het pas de laatste jaren echt mogelijk geworden door de ontwikkeling van hoogvermogen lasers. De laserpuls verantwoordelijk voor de deining in de plasmazee heeft een intensiteit van maar liefst een terawatt: een miljard kilowatt. “Moet je voorstellen: dat vermogen bereik je als je alle Chinezen elk een miljard laserpointers geeft en ze die op een enkel punt richten. Als je dat vermogen continu wilt leveren, heb je duizend kerncentrales nodig.”

Dat Van Dijk die energie gewoon uit het stopcontact kan halen, komt doordat het vermogen in extreem korte lichtpulsjes wordt gepropt, van enkele tientallen femtoseconden (1 fs is een miljoenste van een miljoenste seconde). Het gemiddelde vermogen van de laser is daardoor niet hoger dan dat van een spaarlamp.

Een femtolaser (laser die pulsen kan produceren in de orde van femtoseconden) wordt ook wel gebruikt voor ooglaseren.
Flickr: Focus Laser Vision

Van Dijk en zijn collega’s willen elektronenpakketjes versnellen tot negentig miljoen elektronvolt; niet veel vergeleken met de energieën van megaversnellers als LHC, maar wel als het wordt opgewekt in een buisje van slechts enkele centimeters. “De velden in het plasma zijn duizend tot tienduizend maal hoger dan in conventionele versnellers”, zegt Van Dijk. “Door meerdere plasmaversnellers achter elkaar te zetten, kun je in principe behoorlijk hoge energieën bereiken met een relatief klein apparaat.”

Van buiten naar binnen

Er zijn wereldwijd nu tientallen groepen bezig met laserversnellers, maar de Eindhovense groep is een van de weinige die de elektronen, de ‘surfers’ dus, van buiten het plasma injecteert. De meeste groepen gebruiken elektronen uit het plasma zelf. “Dan heb je namelijk geen elektronenkanon nodig; bovendien dacht men tot voor kort dat injectie niet zou werken omdat de lengte van de elektronenpuls extreem kort zou moeten zijn. Maar dat blijkt mee te vallen. En met externe injectie heb je veel meer controle over de versneller: bij interne injectie heb je één magische setting waarbij het werkt; daar kun je niets aan veranderen.”

Van Dijk ziet zijn werk als een ‘proof of principle’-experiment om te laten zien dat externe injectie werkt. Elders op de wereld werken ze aan andere aspecten van deze nieuwe versnellertechnologie, zoals het verhogen van de energie en het aan elkaar koppelen van versnellers. “Op Berkeley hebben ze al een giga-elektronvolt (GeV) bereikt. De volgende stap is twee versnellers achter elkaar zetten. Als dat lukt, kun je dat in principe oneindig uitbreiden om zo de benodigde energieën te behalen.”

Walter van Dijk is 24 augustus 2010 gepromoveerd aan de TU/e op het proefschrift ‘Simulations and Experiments on External Electron Injection for Laser Wakefield Acceleration’.

Lees meer over deeltjesfysica op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/deeltjesfysica/deeltjesversneller/laserversneller/laserpuls/index.atom?m=of", “max”=>"5", “detail”=>"normaal"}

Dit artikel is een publicatie van Cursor.
© Cursor, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 13 september 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.