Plasmabeschleunigung

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Slim_Jim

39, Männlich

Beiträge: 351

Plasmabeschleunigung

von Slim_Jim am 12.04.2015 14:48

Plasmateilchenbeschleunigung am DESY Zeuthen (http://www-zeuthen.desy.de/technisches_seminar/texte/intro_plasma_acceleration.pdf)
(die Präsentationen sind fast alle öffentlich verfügbar, ich werde ab und zu mal verschiedene Links hier teilen...)

Da hier Interesse bekundet wurde, an den aktuellen Forschungen hinsichtlich Plasmateilchenbeschleunigung und deren Anwendung, werde ich hier und heute anfangen Einiges zu erläutern. Da es ein sehr komplexes Themengebiet mit zukünfitg hoher Relevanz im Beschleunigerbereich und auch anderen Bereichen, wie der Medizin und Grundlagenforschungen sein wird, werde ich hier im Laufe der Zeit noch weitere Details preisgeben ;)

Prinzip: geradlinige Beschleunigung von Elektronen über das Kielfeld der sich ausbreitenden Plasmawellen

prinzip_Surfer_und_Ente.png
In dieser Art kann man sich die beschleunigende Wirkungen durch die erzeugten Plasmawellen vorstellen. Der Surfer stellt hierbei ein Teilchen dar, dass beschleunigt wird und die Ente ist das Ding was das Plasma auslöst, worin dann die Wellen laufen.

Übertragen auf die Vorgänge in der Plasmazelle (das Ding worin die Beschleunigung stattfindet), sieht dies vereinfacht so aus:

prinzip_Beschleunigung_ueber_Wanderwelle.png
- von links drücken die auf die Achse zurückfallenden Elektronen, das zentrale ElektronenPAKET (ca. 5-6 Milliarden Elektronen enthalten!!!) nach vorne und rechts ziehen die positiven Ladungsträger das Elektronenpaket nach vorne. Diese positive Ladungswolke entsteht hier, weil die Elektronen vorher durch den Ionisationsvorgang den Atomrümpfen entrissen und nach außen gedrückt wurden,, hinter dem zu beschleunigenden Elektronenpaket fallen sie zurück, so entsteht die Plasma-Welle...

Der Vollständigkeit halber nochmal gaaanz kurz, was ist ein Plasma überhaupt?:

Aggregatzustaende_-_mit_Plasma.jpg

DIE 3 Plasmakriterien:


Zusammenfassung_-_ein_Plasma_ist_wenn.png

Funktionaler Aufbau und Realisierung der Laserstrahl- und Elektronenstrahleinkopplung:

Es sollte zuerst der Laserstrahl axial eingekoppelt werden, was sich aber nicht realisieren ließ, aber die Informationen, dass Lithium ionisiert wird und der Lithiumdampfbereich durch Helium scharf begrenzt wird, stimmen aber, so läuft es generell, nicht nur bei uns.
prinzip_Lithium-Plasma-Zelle_in_Zeuthen.png

Die anfängliche Idee der axialen Einkopplung wurde überarbeitet und führte zur seitlichen Laserstrahleinkopplung:
prinzip_seitliche_Lasereinkopplung.png

- von links wird der Laserstrahl auf den Bereich des Lithiumdampfes fokussiert, und dies geschieht so, dass das Plasma möglichst homogen ist (Temperatur, Teilchendichten, Ionisationsgrad)
- der Laserstrahl ist so intensiv, dass er dem Lithium das äußere Elektron entreißt und somit negative Ladungsträger und positive, in Form von Ionen, erzeugt

- durch das Hin- und Herschwingen der freien Elektronen entsteht eine Art Welle, die sich mit Lichtgeschwindigkeit im Lithiumplasma ausbreitet

- auf die Plasmawelle wird nun ein Elektronenstrahl mit bestimmt definierter Länge und genau getimed geschossen

- die sehr sehr starken, mikroskopischen elektrischen Feldstärken innerhalb einer Plasmawelle übertragen sehr effizient Energie auf die Elektronen

Somit ist es möglich die herkömmlichen Beschleunigeranlagen um das 10.000-fache (!!!) zu übertrumpfen und dies auch noch mit viel geringeren Abmessungen. Bei einem Beschleunigerring durchlaufen die zu beschleunigenden Teilchen mehrfach den Ring um die nötigen Energien zu erreichen, bei der Plasmabeschleunigung hingegen nur ein Mal. 

Für den Elektronenstrahl ist ein Vakuum notwendig. Dies birgt gleich mehrere Probleme hinsichtlich der Abdichtung des Plasmabereiches zu den Elektronenstrahlrohren. Hierzu verwendet man eine sog. Kapton-Folie mit einigen µm Dicke, dh es muss sehr genau auf den Druckunterschied geachtet werden, da die Folie sonst reißt (wie es schon passiert ist).

Hier seht ihr die Bauteile zum Aufbau zur Vakuumerzeugung:
schema_Plasmazelle_-_Vakuumerzeugung_u_-Messung.png
Die zur Vakuumerzeugung benötigten Pumpen kann ich euch erläutern, wenn ihr wollt, interessant ist dabei die Ionengetterpumpe. Generell ist Vakuumtechnik interessant, aber eben nicht jedermanns Sache. Daher würde ich es nur erklären, wenn es jemand genau wissen möchte. Es ist jetzt auch nicht sonderlich wichtig, um den Vorgang der Plasmabeschleunigung prinzipiell zu verstehen...

Die Plasmazelle für die seitliche Laserstrahleinkopplung und der axialen Elektronenstrahleinkopplung sieht folgendermaßen aus:

Aufbau Plasmazelle mit Unterbau

aufbau_Plasmazelle_mit_Unterbau.png

So sieht der Entwicklungsstand momentan aus. Meine Aufgabe ist es nun den Laserstrahl über 2 Ebenen und mehreren Umlenkspiegeln in den Trichter zu lenken. Dafür werde ich das Simulationsprogramm ZEMAX verwenden, um auch entsprechende optische Optimierungen vorzunehmen, hinsichtlich verwendeter Linsen, Spiegel. Der Laserstrahl von dem Argon-Fluorid-Laser (ArF) wurde bis jetzt auch noch nicht diagnostiziert, dh bis jetzt ist unklar welche Polarisationsanteile enthalten sind. Form und Energiedichte kennen wir natürlich, aber um den Strahl zu formen, benötigt man weitere Informationen.

Warum das Ganze?
- kompakte und hochenergetische Teilchenbeschleuniger zur Erforschung der subatomaren Welt, Erzeugung von Röntgenblitzen hoher Brillianz (Stichwort: Freie Elektronen-Laser, wie XFEL), Grundlagenforschung in den Materialwissenschaften

Präsentation von Dr. Matthias Groß, meinem Betreuer, die ich am 13.01.15 besuchte, um mich dann anschließend gleich dafür zu bewerben:  http://www-zeuthen.desy.de/technisches_seminar/texte/pitz_plasmakammer_20150113.pdf

I
ch werde demnächst noch Weiteres berichten, z.B. wie es zu der kurzen Elektronenpaketlänge kommt und warum sie gebraucht wird. Auch sehr wichtig ist die neue Idee der Selbstmodulation des Elektronenstrahls, um möglichst monoenergetische Elektronen-Bunches zu bekommen. Die Berichte von SLAC mit den hohen Beschleunigergradienten haben nur sehr wenige Elektronen in den hohen Energiebereich gebracht, die anderen waren wild verteilt irgendwo dazwischen, wie man hier sehen kann:
Energiezuwachs_SLAC.png
Quelle: http://cerncourier.com/cws/article/cern/30148 (auf der Mitte der Seite zu finden)

- von den anfänglichen 42GeV des Eingangs-Elektronenstrahls sind offensichtlich nur richtig wenige Elektronen auf 85GeV gekommen. Dadurch ist der Elektronenstrahl eher über einen großen Energiebereich verschmiert als, wie gewünscht, möglichst monoenergetisch, um damit auch weiter arbeiten zu können.

Nun gut, soweit erstmal der Kurzüberblick, Weiteres folgt bestimmt  

Wer nur so tut als bringe er die Menschen zum Nachdenken, den lieben sie. Wer sie wirklich zum Nachdenken bringt, den hassen sie. - Aldous Huxley

Jeder Fehler erscheint unglaublich dumm, wenn andre ihn begehen. - Georg Christoph Lichtenberg

Antworten Zuletzt bearbeitet am 14.04.2015 21:26.

Rico

53, Männlich

Beiträge: 966

Re: Plasmabeschleunigung

von Rico am 12.04.2015 15:19

Danke Slim Jim!

Man kommt ja gar nicht mehr hinterher mit Inhalieren....

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Slim_Jim

39, Männlich

Beiträge: 351

Re: Plasmabeschleunigung

von Slim_Jim am 12.04.2015 16:22

hehe, geht mir ähnlich bei dieser flut an infos hier in diesem forum :) ich finds super 

Wer nur so tut als bringe er die Menschen zum Nachdenken, den lieben sie. Wer sie wirklich zum Nachdenken bringt, den hassen sie. - Aldous Huxley

Jeder Fehler erscheint unglaublich dumm, wenn andre ihn begehen. - Georg Christoph Lichtenberg

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Hannes

65, Männlich

Beiträge: 782

Re: Plasmabeschleunigung

von Hannes am 12.04.2015 19:44

Ganz prima, Slim Jim!

Mir geht es wie Rico. Ich komme gar nicht mehr hinterher mit dem Lesen und verarbeiten der vielen Informationen.
Aber das ist besser als viel Leerlauf und Pausen, in denen man vom Forum entkoppelt wird.   

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Darius

47, Männlich

Beiträge: 249

Re: Plasmabeschleunigung

von Darius am 23.12.2015 09:01

Slim_Jim: Warum das Ganze? - kompakte und hochenergetische Teilchenbeschleuniger zur Erforschung der subatomaren Welt, Erzeugung von Röntgenblitzen hoher Brillianz (Stichwort: Freie Elektronen-Laser, wie XFEL), Grundlagenforschung in den Materialwissenschaften
Faszinierend!

Zu XFEL habe ich heute dies hier gefunden: Erste Elektronen im European XFEL erfolgreich beschleunigt
„Die ersten Elektronen im Injektor sind ein Meilenstein für diese ambitionierte Entdeckungsmaschine – Glückwünsche an alle Physiker und Ingenieure, die die verschiedenen Komponenten mit großem Engagement gebaut und montiert haben“, so Prof. Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums. „Mehr als die Hälfte der supraleitenden Module des Hauptbeschleunigers sind bereits getestet und montiert, und ich bin ich sicher, dass wir bald auch hier mit der Inbetriebnahme beginnen können.“

Guten Morgen und schöne Feiertage!

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Darius

47, Männlich

Beiträge: 249

Re: Plasmabeschleunigung

von Darius am 21.01.2016 07:25

Neues zu Kielfeld-Beschleunigern (13. Januar 2016):
Plasma optisch kontrollieren

In den letzten Jahren haben vor allem Kielfeld-Beschleuniger von sich reden gemacht, bei denen im „Kielwasser“ eines durch ein Medium fliegenden Laserpulses extreme Feldstärken entstehen. Diese ziehen Elektronen hinter sich her und erreichen Beschleunigungsspannungen, die weit über denen herkömmlicher Kavitäten liegen. Wie genau sich die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Medien und starken Laserpulsen verhält, ist allerdings Gegenstand aktueller Forschung und bislang nur partiell verstanden.

160113_relativistischesPlasma_NPG.jpg
Quelle: Oben verlinkter Artikel

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wl01

65, Männlich

Beiträge: 1162

Re: Plasmabeschleunigung

von wl01 am 23.01.2016 10:39

Hübsch!
Sehen fast so aus, wie die von mir postulierten rotierenden Tachyonenteilchenströme...

PS:
Sehe ich das richtig?
Bei vorhander Alufolie waren die Magnetfelder hinter der Alufolie größer, als wenn man in die Alufolie ein Loch schnitt? Da denke ich doch glatt an den EMDrive-Antrieb... 


MfG

WL01

PS:
Habe ich schon geschrieben, dass Licht und somit jede EM-Strahlung für mich lediglich eine Turbulenz im Tachyonenäther ist?

Antworten Zuletzt bearbeitet am 23.01.2016 10:53.

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