Kompakte Beschleuniger: Mit Terahertz-Licht in die Materie blicken

14.07.2017

In Materialforschung, Chemie, Biologie und Medizin bestimmen die chemischen Bindungen und insbesondere deren Dynamik die Eigenschaften eines Systems. Und diese lassen sich sehr genau mit Terahertzstrahlung und kurzen Pulsen untersuchen. Der Beschleuniger FLUTE am KIT wird neue Beschleunigertechnologien für kompakte und leistungsfähige Terahertz-Quellen als effiziente Werkzeuge für Forschung und Anwendung entwickeln.

Bild: Beschleuniger für Elektronenwolken; Copyright: KIT

Die besondere Herausforderung, der Beschleuniger wie FLUTE nachgehen, ist es, die Elektronenwolke bei der Beschleunigung so kompakt zu halten, dass ihre Ausdehnung kleiner ist als die Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung; © KIT

“Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am KIT zeichnet die Befähigung aus, kreative Ideen zu entwickeln und neue Felder zu erschließen“, unterstreicht der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka. “Mit dem kompakten Beschleuniger FLUTE öffnen wir am KIT die Tür zu einem neuen Werkzeug, das Biologen, Chemiker und Materialforscher zu herausragenden Erkenntnissen führen wird.“

Das Ferninfrarot Linac- und Test-Experiment FLUTE am KIT ist eine Entwicklungsplattform für die Beschleunigerphysik. An ihr werden Verfahren getestet, um zunächst die komplexe Dynamik extrem kurzer Elektronenpakete besser zu verstehen, zu vermessen und zu kontrollieren. Erst sehr kompakte Elektronenpakete ermöglichen es intensive, brillante, kohärente Terahertzstrahlung zu erzeugen. Die besondere Herausforderung, der Beschleuniger wie FLUTE nachgehen, ist es, die Elektronenwolke bei der Beschleunigung so kompakt zu halten, dass ihre Ausdehnung kleiner ist als die Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung. Nur dann überlagern sich die Wellen konstruktiv zu Pulsen von hoher Intensität mit Dauern von Piko- oder Femtosekunden.

Langfristig gilt es die Kontrolle der Elektronenpakete so zu verbessern, dass die Terahertzstrahlung perfekt auf die Bedürfnisse der Anwender zugeschnitten werden kann. Die Terahertz-Strahlung könnte Anwendungsgebiete aufstoßen, die dem benachbarten sichtbarem Licht und den Radiowellen verschlossen sind. Als Forschungsinfrastruktur dient FLUTE auch der Entwicklung von Messmethoden für Terahertz-Strahlung, die von den Material- und Lebenswissenschaften genutzt werden kann. Schwingungen von Proteinen lassen sich ebenso untersuchen wie das Verhalten von Supraleitern oder neuartigen Halbleitern.

Innerhalb des rund 12 Meter langen FLUTE-Beschleunigers werden die Elektronen auf eine Energie von bis zu 50 MeV beschleunigt. Durch die Kompression der Elektronenwolke auf einige Mikrometer wird Strahlung mit einer Frequenz von 30 Terahertz oder mehr möglich. Neben dem Institut für Beschleunigerphysik und Technologie des KIT sind Entwicklungspartner aus ganz Europa, allen voran das Paul Scherrer Institut (PSI) aus der Schweiz, an FLUTE beteiligt.

 COMPAMED.de; Quelle: Karlsruher Institut für Technologie

Mehr über das KIT unter: www.kit.edu