Beschleuniger im Tischformat: Mikrodüsen und Laser ersetzen Riesenbeschleuniger

Energie

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 26.06.2025

Ein fester Wasserstoffstab ist in eine Aluminium-Mikrodüse eingebettet, die den Plasmastrom kanalisiert und fokussiert, um die Protonenbeschleunigung zu optimieren. [Bild: Masakatsu Murakami]

Mikrodüsenbeschleuniger

Teilchenstrahlen mit Energien im Giga-Elektronenvolt-Bereich (GeV), die derzeit nur mit großen Teilchenbeschleunigern erreichbar sind, könnten bald in kompakten Konfigurationen erzeugt werden. Dies würde nicht nur die Nutzung der Technik wesentlich kostengünstiger machen, sondern auch den Weg für ihre Nutzung in kleineren Anwendungen ebnen.

Masakatsu Murakami und Kollegen an der Universität Osaka in Japan haben ein neues Konzept entwickelt, das sie Mikrodüsenbeschleunigung nennen.

Durch die Entwicklung eines Mikrotargets mit kleinen Strukturen – ähnlich der Einspritzdüse eines Autos – und die Bestrahlung mit sehr intensiven, aber auch sehr schnellen Laserpulsen entwickelte das Team eine neue Methode zur Erzeugung hochwertiger Protonenstrahlen der GeV-Klasse: eine Weltneuheit.

Anders als bei herkömmlichen laserbasierten Beschleunigungsmethoden, bei denen flache Targets verwendet werden und die Energiegrenzen unter 100 Megaelektronenvolt (MeV) (1 GeV = 1000 MeV) erreichen, ermöglicht die Mikrodüsenstruktur eine anhaltende und allmähliche Beschleunigung der Protonen innerhalb eines quasistatischen elektrischen Felds, das im Target erzeugt wird.

Numerische Simulationen zeigen, dass der neue Mechanismus Protonenenergien von über 1 GeV bei hervorragender Strahlqualität und Stabilität ermöglicht.

Bei der Mikrodüsenbeschleunigung kommt eine winzige Düse mit einem festen Wasserstoffstab (H-Stab) zum Einsatz, der präzise in der Nähe des Düsenhalses positioniert ist, um die Protonenausbeute zu maximieren. Die Mikrodüse fungiert als „Leistungslinse“ und fokussiert die einfallende Laserenergie auf den H-Stab, wodurch eine effiziente und lokalisierte Energieabgabe ermöglicht wird. [Bild: M. Murakami et al. – 10.1038/s41598-025-03385-x]

Es lohnt sich zu testen

Nachdem das Projekt fertig ist und mathematisch nachgewiesen wurde, müssen die Experimentalphysiker und Ingenieure nun selbst Hand anlegen, um zu beweisen, dass das Projekt in der Praxis funktioniert.

Dies wird durch die kompakte Größe des neuen Beschleunigers im Vergleich zu gigantischen Beschleunigern, deren Entwicklung und Bau Jahrzehnte dauern, erheblich erleichtert.

Und es wird sich lohnen, dies zu testen, da Hochenergie-Protonenbeschleuniger auch Anwendungsmöglichkeiten jenseits der Grundlagenphysik haben, darunter laserbasierte Kernfusionsreaktoren und kompaktere, präzisere Systeme für die Krebstherapie.

„Diese Entdeckung öffnet neue Türen für kompakte, hocheffiziente Teilchenbeschleuniger“, sagte Murakami. „Wir glauben, dass diese Methode das Potenzial hat, Bereiche wie die Laserfusionsenergie , die fortschrittliche Strahlentherapie und sogar die Astrophysik im Labormaßstab zu revolutionieren.“

Weitere Neuigkeiten zu:

Weitere Themen