Dynamiken von gepulsten Teilchenstrahlen gefilmt

Forschenden am KIT ist es gelungen, in einem Speicherring das Verhalten von mikrostrukturierten Elektronenpaketen abzubilden

Grafische Darstellung der Phasenraumtomographie — Experimenteller Aufbau: Durch Überlagerung von Laserpulsen mit dem elektrischen Nahfeld eines relativistischen Elektronenpaketes auf einem elektrooptischen Kristall kann die Phasenraumdichte tomographisch gemessen werden. (Grafik: Stefan Funkner, KIT)

Speicherringe als Lichtquellen breitbandiger Synchrotronstrahlung sind aus der heutigen Forschung nicht mehr wegzudenken. Mit dem Karlsruhe Research Accelerator (KARA) betreibt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) einen solchen Speicherring, in dem mikrostrukturierte Elektronenpakete umlaufen und dabei untersucht werden können. Forschende vom Institut für Beschleunigerphysik und Technologie (IBPT) des KIT haben gespeicherte Elektronenpakete sehr stark komprimiert und dadurch zeitweise in einen instabilen Zustand versetzt, die sogenannte Microbunching-Instabilität. Dabei emittieren die Pakete intensive Lichtblitze.

Rekonstruktion trägt zu besserem Verständnis der Elektronendynamik bei

Die Untersuchung dieser Nicht-Gleichgewichtszustände und insbesondere die Kontrolle der intensiven Energiefreisetzung sind Forschungsziele bei KARA. „Mit den am KIT dafür entwickelten, schnellen Diagnostiken ist es nun gelungen, sogenannte Phasenraumdichten während der Microbunching-Instabilität zu rekonstruieren“, sagt Stefan Funkner vom IBPT. Die Phasenraumdichte beschreibt in zeitlicher Entwicklung Ort und Geschwindigkeit der Elektronen. Bei ihren Messungen bestimmen die Forschenden das Ladungsprofil eines Elektronenpakets während jedes Umlaufs im Speicherring und können so aus den Daten die Phasenraumdichten rekonstruieren. „Damit machen wir schließlich eine Art Film von der Entwicklung der Phasenraumdichte“, so Funkner weiter.

Durch das größere Verständnis der Elektronendynamik können die Ergebnisse zur Konstruktion künftiger intensiver Strahlungsquellen beitragen.

jho, 04.05.2023