Zeer compacte deeltjesversneller werkt met schokgolf

Aan de University of California in Los Angeles (UCLA) is een zeer compacte elektronenversneller ontwikkeld die elektronen binnen een afstand van nog geen centimeter versneld tot 30 MeV, een factor dertig beter dan in de beste conventionele versnellers. De techniek werkt met schokgolven in een heet plasma.

De schokgolfversneller werkt als volgt. Een dubbelfrequente CO-laser en een 2 MeV-elektronenbundel worden gefocusseerd in een waterstofplasma van voldoende dichtheid. Door interferentie van beide laserfrequenties onstaan versterkingen en uitdovingen van lasergolven, resulterend in lichtpulsen die zich als een longitudinale golf (het elektrisch veld parallel aan de uitbreidingsrichting) door het plasma voortplanten. De elektronen in het plasma voelen hierdoor een periodieke elektromagnetische stuwing, met een frequentie die afhangt van het verschil in beide laserfrequenties.

Als dit verschil nu gelijk is aan de eigenfrequentie van het elektronplasma ontstaat resonantie en raakt het in hevige trilling. Elektronen van het plasma worden in het elektrisch veld van de schokgolf versneld, tot ze er na verloop van tijd uit 'ontsnappen', zo ongeveer als een surfer die wordt gelanceerd door een oceaangolf.

Om tot hun resultaat te komen hebben de Amerikaanse onderzoekers op experimenteel vlak de nodige problemen moeten overwinnen. Zo was hun plasmadichtheid tot op een procent uniform, een opmerkelijke prestatie. Ook bereikte men dat turbulenties in het plasma niet eerder konden ontstaan dan na het passeren van de schokgolf, zodat ze geen kwaad konden.

In de nabije toekomst hoopt de UCLA-groep de GeV-barrière te nemen, theoretisch de maximale energie die binnen een versneltraject van een centimeter te realiseren is. Maar dat vergt andere lasers dan het CO-type dat nu gebruikt is. De totale afmetingen van een dergelijke versneller zijn in vergelijking met die van het conventionele type zeer aantrekkelijk. De vraag of schokgolfversnellers een serieuze bedreiging vormen voor lineaire versnellers zoals in Stanford (lengte: 3,2 km) of ringvormige zoals de Large Hydron Collider van CERN (omtrek: 87 km), valt nog niet te beantwoorden. Daarvoor is veel meer research nodig. Maar zelfs als dat niet het geval is, heeft het nieuwe type toekomst. Vanwege de compacte afmetingen zullen ze, net als indertijd de Personal Computers, hun weg naar de laboratoria spoedig weten te vinden.

Bovendien levert de nieuwe versneller elektronenpulsen met een tussentijd in de orde van een picoseconde. Dat biedt de interessante mogelijkheid tot het maken van een röntgenstroboscoop, waarmee bijvoorbeeld vertraagde opnamen van chemische reacties of van dynamische biologische processen kunnen worden gemaakt. Weer een andere toepassing vormen afbeeldingstechnieken in biologie og geneeskunde, waarbij met veel minder straling dan tot nu toe gebruikelijk kan worden volstaan. (Nature, vol. 368, p. 496 en 527)