Plasmabeschleunigung

Plasmabeschleunigung

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


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:


- 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?:



DIE 3 Plasmakriterien:

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.


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


- 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:

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

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

Ich 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:

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

Re: Plasmabeschleunigung

Danke Slim Jim!

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

Re: Plasmabeschleunigung

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

Re: Plasmabeschleunigung

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.   

Re: Plasmabeschleunigung

Re: Plasmabeschleunigung

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

Re: Plasmabeschleunigung

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?