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Im Plasmakanal kommen Elektronen auf Touren

28.07.1998 - (idw) Bayerische Julius-Maximilians-Universität Würzburg

In Hamburg soll in einem unterirdischen Kanal ein Elektronenbeschleuniger gebaut werden, der in einem Vorort beginnt und 20 Kilometer weiter mitten in der Stadt endet. Der Aufwand für eine solche Großanlage ist beträchtlich, könnte aber mit Hilfe einer neuen Technik weitaus geringer ausfallen. An diesem Problem arbeiten Physiker der Universität Würzburg.

Auch kleinere Elektronenbeschleuniger besitzen vielfältige Anwendungen in Physik, Technik und Medizin. Mit ihnen werden beispielsweise Röntgenstrahlen erzeugt, die sich für die Krebstherapie eignen oder mit denen die Qualität von Schweißnähten getestet werden kann. Wie der Physiker Prof. Dr. Hansheinrich Langhoff erklärt, werden die Elektronen durch elektrische Felder auf extrem hohe Energien beschleunigt. Die Röntgenstrahlung entstehe dann beim Abbremsen der Elektronen.

Bedingt durch die technisch erreichbaren elektrischen Feldstärken weisen die Apparaturen Abmessungen von Metern bis zu Kilometern Länge auf - dementsprechend sind auch die Kosten. "Könnte man aber einen Laserstrahl zur Elektronenbeschleunigung verwenden, ließen sich die Dimensionen um etwa das 1.000fache verkleinern, so daß selbst die größten Elektronenbeschleuniger der Welt in ein normales Labor passen würden", sagt Prof. Langhoff. Dies wäre möglich, weil die elektrischen Feldstärken, die in den heute zur Verfügung stehenden Laserstrahlen herrschen, gigantisch sein können und die auf andere Weise herstellbaren Feldstärken um etwa das 1.000fache übertreffen.

Laserstrahlen, die Elektronen auf Touren bringen sollen, müssen sehr intensiv und auf einen Brennpunkt ausgerichtet sein. Doch weil der Laserstrahl hinter dem Brennpunkt wieder auseinanderläuft, können die Elektronen derzeit nur über sehr kurze Strecken beschleunigt werden, so daß dieses Verfahren laut Prof. Langhoff noch nicht konkurrenzfähig ist.

Bei schwachen Lichtintensitäten verhindert man das Auseinanderlaufen des Strahls, indem man das Licht in eine Glasfaser, den sogenannten Lichtleiter, einkoppelt: Durch ständige Totalreflektion an der Glasoberfläche bleibt das Licht gefangen und läuft über große Entfernungen - wie Wasser in einem Leitungsrohr. Dieser Mechanismus wird heute beispielsweise bei der Telekommunikationstechnik ausgenutzt.

Doch bei den für die Elektronenbeschleunigung notwendigen, extrem hohen Lichtintensitäten läßt sich dieses Verfahren nicht anwenden, weil die Laserstrahlung die Glasfaser sofort zerstören würde. Intensives Licht kann sich aber, wie Prof. Langhoff erläutert, in verdünnten Gasen oder Plasmen über große Entfernungen fortpflanzen. Unter Plasmen verstehen die Physiker extrem heiße Gase, und zwar bei Temperaturen zwischen 10.000 und Millionen Grad Celsius.

Eine Arbeitsgruppe unter Leitung von Prof. Langhoff versucht nun, in einem solchen Plasma Kanäle von mikroskopischen Dimensionen zu erzeugen, die wie Lichtleiter wirken. Die Erwartung der Physiker: Elektronen, die in das Innere eines Plasmakanals gebracht werden, sollten zu extrem hohen Energien beschleunigt werden.

Falls dieses Verfahren gelingt, lassen sich nach Angaben der Würzburger Wissenschaftler Elektronenbeschleuniger mit weitaus geringeren Abmessungen bauen. Dadurch würden sich wiederum interessante Anwendungsmöglichkeiten bieten, vor allem bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen. Die Studie am Physikalischen Institut wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Weitere Informationen: Prof. Dr. Hansheinrich Langhoff, T (0931) 888-5739, Fax (0931) 888-4906, E-Mail:
langhoff@physik.uni-wuerzburg.de
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