Ionisatie-injectie: elektronen op het juiste moment de plasmagolf in
Ionisatie-injectie is een techniek uit de natuurkunde van deeltjesversnellers, en dan specifiek uit een tak die bekendstaat als laser-plasmaversnelling. Bij deze vorm van versnellen wordt geen kilometerslange metalen buis gebruikt zoals bij klassieke deeltjesversnellers, maar een piepklein wolkje geïoniseerd gas: plasma. Een extreem korte, felle laserpuls schiet daar dwars doorheen en trekt als het ware een golf mee, vergelijkbaar met het zog achter een snelle boot. In die golf zitten elektrische velden die duizenden keren sterker zijn dan in gewone versnellers. Ionisatie-injectie is de truc waarmee natuurkundigen ervoor zorgen dat elektronen precies op het juiste moment en de juiste plek in die golf terechtkomen, zodat ze goed en gecontroleerd versneld worden.
Een vergelijking met surfen maakt het concreet. Een surfer die op willekeurig moment in zee springt, mist meestal de golf of komt er scheef in terecht. Wie precies op de kam van de golf springt, glijdt er soepel mee mee en bereikt hoge snelheid. Bij een plasmaversneller is het lastig om elektronen exact op de kam van de plasmagolf te krijgen: de golf raast met bijna de lichtsnelheid voort en is minder dan een millimeter groot. Ionisatie-injectie lost dit op door een klein beetje ander gas toe te voegen dat zijn elektronen precies op het goede moment loslaat, alsof er een duikplank recht boven de golfkam staat.
Wat is het precies?
Een laser-plasmaversneller begint met een gaswolkje, meestal helium of waterstof. Een laserpuls die er doorheen schiet is zo intens dat hij het gas onmiddellijk ioniseert: de elektronen worden van de atoomkernen losgerukt en er ontstaat plasma, een mengsel van vrije elektronen en positief geladen ionen. De drukgolf van licht duwt de lichte elektronen zijwaarts weg, terwijl de veel zwaardere ionen vrijwel blijven staan. Daardoor ontstaat vlak achter de laserpuls een bijna lege bel, omringd door een dichte rand van elektronen. Deze bel — de "wakefield" of golfstaart — sleept mee met de laserpuls en bevat een enorm elektrisch veld, honderden keren sterker dan in een traditionele versneller.
Het probleem is: welke elektronen komen er in die bel terecht en worden meegetrokken? Bij de eenvoudigste aanpak, zelfinjectie, vallen willekeurige elektronen uit de rand van de bel naar binnen zodra de golf een beetje instort. Dat gebeurt chaotisch, op net iets andere plekken en momenten bij elke laserschot, met als gevolg bundels elektronen met een grote spreiding in energie en een matige bundelkwaliteit.
Ionisatie-injectie werkt gerichter. Aan het hoofdgas wordt een kleine hoeveelheid van een tweede gas toegevoegd, bijvoorbeeld stikstof, waarvan de binnenste elektronen veel steviger aan de kern vastzitten dan de buitenste. Terwijl de buitenste elektronen van dat stikstofatoom al bij een zwak deel van de laserpuls loslaten, hebben de binnenste elektronen pas genoeg aan het allersterkste punt van de puls, precies op de piek van de lichtintensiteit. Op dat moment bevindt de laserpuls zich al diep in de golfbel. De net vrijgekomen elektronen starten daardoor vrijwel stilstaand, midden in het versnellende veld van de bel, in plaats van van buitenaf te moeten invallen. Ze worden meteen "gevangen" en meegetrokken. Omdat dit proces steeds op hetzelfde punt in de laserpuls gebeurt, is het veel voorspelbaarder en beter regelbaar dan zelfinjectie: onderzoekers kunnen door de hoeveelheid dopeergas en de laserintensiteit aan te passen, sturen hoeveel elektronen precies worden ingevangen en met welke energie ze de versneller verlaten.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter dit hele onderzoeksveld is compactheid. Een klassieke deeltjesversneller zoals die bij het Amerikaanse laboratorium SLAC is drie kilometer lang om elektronen tot hoge energie te brengen, omdat het elektrisch veld in een metalen versnellerbuis maar beperkt sterk kan zijn voordat er vonken overslaan. Het veld in een plasmagolf kent die beperking niet en is duizenden keren sterker, waardoor in theorie dezelfde energiewinst op enkele centimeters tot meters kan worden bereikt in plaats van kilometers.
Ionisatie-injectie is daarbij geen doel op zich, maar een noodzakelijk hulpmiddel. Een compacte versneller heeft alleen praktische waarde als de elektronenbundel die eruit komt ook bruikbaar is: met een voorspelbare energie, weinig spreiding daarin, en herhaalbaar van schot tot schot. Zonder gecontroleerde injectie krijg je wel versnelling, maar geen bruikbare bundel. Toepassingen die onderzoekers voor ogen hebben lopen uiteen van compacte röntgenbronnen en vrije-elektronenlasers voor materiaalonderzoek, tot kleinere en goedkopere bestralingsapparatuur voor kankertherapie, tot op de zeer lange termijn onderdelen van een toekomstige deeltjesversneller voor fundamenteel natuurkundig onderzoek. Het gaat dus om toegankelijkheid: dezelfde soort fysica die nu alleen in miljardenlaboratoria mogelijk is, betaalbaarder en kleinschaliger maken.
Voorbeelden uit de praktijk
Ionisatie-injectie is geen toekomstplan maar een werkende, veelgebruikte labtechniek. Enkele mijlpalen en projecten:
- UCLA en University of Michigan, 2010: twee onafhankelijke onderzoeksgroepen publiceerden vrijwel gelijktijdig de eerste experimentele demonstraties van ionisatie-injectie in Physical Review Letters, en toonden aan dat het gebruik van een stikstof- of argondopant inderdaad tot gecontroleerde elektroneninjectie leidde.
- BELLA Center, Lawrence Berkeley National Laboratory (Verenigde Staten): dit Amerikaanse laboratorium bouwde een van de krachtigste lasers ter wereld voor plasmaversnelling en gebruikt injectietechnieken, waaronder ionisatie-injectie, in experimenten die elektronenbundels van enkele GeV (gigaelektronvolt, een energie-eenheid) opwekken over een afstand van slechts enkele centimeters.
- LUX-opstelling, DESY (Duitsland): het Duitse onderzoekscentrum DESY in Hamburg bouwde met de LUX-beamline een platform dat specifiek is ontworpen om injectiemethodes, waaronder ionisatie-injectie gecombineerd met dichtheidsovergangen in het gas, systematisch te onderzoeken en de reproduceerbaarheid van bundels te verbeteren.
- LOA, École Polytechnique (Frankrijk): het Laboratoire d'Optique Appliquée bij Parijs behoort tot de pioniers van laser-plasmaversnelling in Europa en heeft meerdere injectieschema's, waaronder ionisatiegebaseerde varianten, experimenteel getest.
- EuPRAXIA-project (Europese Unie): dit door de Europese Unie gefinancierde samenwerkingsverband, gecoördineerd door het Italiaanse onderzoeksinstituut INFN, werkt aan de bouw van een demonstratiefaciliteit voor plasmaversnelling met toepassingen zoals een vrije-elektronenlaser. Gecontroleerde injectietechnieken zoals ionisatie-injectie vormen daarbij een van de bouwstenen die onderzocht en verfijnd worden.
Hoe ver is de techniek?
Ionisatie-injectie zelf is inmiddels een volwassen en breed toegepaste techniek: in vrijwel elk modern laser-plasmaversnellerexperiment wordt een vorm van gecontroleerde injectie gebruikt, vaak ionisatie-injectie of een combinatie daarvan met andere methodes zoals dichtheidsovergangen in het gas. Het fundamentele natuurkundige principe staat niet meer ter discussie; de vooruitgang zit nu vooral in optimalisatie en opschaling.
De grootste obstakels liggen niet in de injectie zelf, maar in wat daarna nodig is om er een praktisch bruikbare versneller van te maken. Ten eerste blijft de energiespreiding van de bundel — hoeveel de energie van individuele elektronen onderling verschilt — doorgaans groter dan bij klassieke versnellers, wat lastig is voor precieze toepassingen. Ten tweede is schot-tot-schotstabiliteit een uitdaging: kleine schommelingen in laser en gas kunnen de bundel van de ene op de andere puls laten verschillen. Ten derde is er het probleem van staging: om echt hoge energieën te bereiken moeten meerdere plasmasecties achter elkaar worden geschakeld, en het is technisch lastig om een bundel van de ene naar de volgende sectie over te dragen zonder kwaliteitsverlies. Ten slotte is er de herhalingsfrequentie: de krachtigste lasers die nu gebruikt worden, vuren doorgaans hooguit een paar keer per seconde, terwijl praktische toepassingen zoals medische apparatuur duizenden pulsen per seconde zouden vereisen. Aan dat laatste wordt gewerkt met nieuwe lasertechnologie, maar dit blijft op dit moment een reëel knelpunt. Kortom: de kernfysica werkt aantoonbaar, maar de weg naar een routinematig inzetbaar apparaat buiten het laboratorium vergt naar verwachting nog jarenlang verder ingenieurswerk.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is internationaal verspreid over een beperkt aantal gespecialiseerde laboratoria met zeer krachtige lasers. In de Verenigde Staten zijn dat onder meer het BELLA Center van het Lawrence Berkeley National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory, en de universiteiten UCLA en University of Michigan die tot de vroege pioniers van ionisatie-injectie behoren. In Europa lopen de belangrijkste inspanningen via DESY in Duitsland, het Laboratoire d'Optique Appliquée bij École Polytechnique in Frankrijk, Imperial College London in het Verenigd Koninkrijk, en het Instituto Superior Técnico in Lissabon, Portugal. Deze Europese groepen werken deels samen binnen het EuPRAXIA-consortium, gecoördineerd door het Italiaanse INFN en met deelname van onder andere de faciliteit ELI Beamlines in Tsjechië. Buiten Europa en de VS bouwen ook Chinese universiteiten, waaronder Tsinghua University en Peking University, en Japanse instituten zoals Osaka University eigen laser-plasmaprogramma's op waarin injectietechnieken worden onderzocht. De financiering komt doorgaans van nationale wetenschapsfondsen zoals het Amerikaanse Department of Energy en, in Europa, het Horizon-programma van de Europese Unie.