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Strahlbildgebung könnte fortschrittlichere Teilchenbeschleuniger ermöglichen

Neue Verfahren – darunter die optische Strahlungsbildgebung und die non-invasive Abbildung räumlich kohärenter Strahlung – ermöglichen detaillierte Strahlmessungen und optimieren die Leistung von Teilchenbeschleunigern in verschiedensten Situationen.
Strahlbildgebung könnte fortschrittlichere Teilchenbeschleuniger ermöglichen
Strahldiagnosesysteme sind ein wesentlicher Bestandteil eines jeden Teilchenbeschleunigers. Ohne Diagnosesysteme könnten Linearbeschleuniger für die Strahlentherapie bei Krebserkrankungen nicht betrieben werden – ganz zu schweigen vom größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider. Diese Systeme liefern Aufschluss über die Eigenschaften eines Teilchenstrahls und darüber, wie er sich innerhalb des Beschleunigers verhält.

Das EU-geförderte Projekt DITA-IIF (Investigations into advanced beam instrumentation for the optimization of particle accelerators) wurde ins Leben gerufen, um den Stand der Technik für Strahldiagnosegeräte voranzutreiben, mit denen das von einem Strahl geladener Teilchen emittierte Licht untersucht wird.

"Die Strahldiagnostik ist in zahlreichen Varianten verfügbar, und manche davon basieren auf der direkten Erkennung von Ladungen und Strömen, die durch den Strahl hervorgerufen werden. Im Forschungsprojekt DITA-IIF sollten optische und nah-optische Strahlungsdiagnosegeräte weiterentwickelt werden", erklärte Professor Carsten Welsch, der Projektkoordinator von der britischen Universität Liverpool.

Optische Strahlungsbildgebung

Unter der Leitung von Dr. Ralph Fiorito vom Cockroft Institute der Universität Liverpool entwickelte das DITA-IIF-Team einen neuen Algorithmus zur Analyse der optischen Übergangsstrahlung, die entsteht, wenn ein Strahl auf eine dünne Folie trifft. Konkret wird die Strahlgröße anhand der Form der abgebildeten optischen Übergangsstrahlung – der sogenannten Punktquellenfunktion – eines einzelnen Elektron errechnet. Um eine Genauigkeit im Bereich von Mikrometerbruchteilen zu erreichen, werden künstliche Artefakte wie Abweichungen und Fehlausrichtungen isoliert und behoben.

"Mithilfe des neuen Verfahrens wird derzeit das Auflösungsvermögen optischer Systeme verbessert, mit denen die mikrometergroßen Strahlen abgebildet werden, die mit der Accelerator Test Facility der High Energy Accelerator Research Organisation im japanischen Tsukuba erzeugt werden", merkt Professor Welsch an.

Darüber hinaus haben die Forscher ein neues Strahlbildgebungsverfahren entwickelt, das auf einem Aufbau elektronisch gesteuerter Mikrospiegel beruht. Dieses digitale Verarbeitungsverfahren für Licht bietet eine optische Maske, mit der optische Strahlung aus dem Kern des Strahls herausgefiltert und das resultierende Bild über das des äußeren Halos gelegt werden kann. Als räumlicher Filter mildert sie die Lichtbeugung um die optischen Systeme, mit denen der Strahl abgebildet wird, herum ab.

Um die Leistungsfähigkeit dieser Strahlbildgebungssysteme zu beurteilen, vergleichen Forscher nun Labormessungen mit den Simulationsergebnissen des Zemax Optical Studio. "Dank dieser komparativen Studie werden wir nicht nur das Strahlbildgebungsverfahren besser verstehen, sondern jedes digitale Verarbeitungsverfahren für Licht, das in der medizinischen oder astronomischen Bildgebung sowie für Fernerkundungstechnologien eingesetzt wird", fügt Professor Welsch hinzu.

Non-invasive Abbildung kohärenter Strahlung

Das Team von DITA-IIF ging noch einen Schritt weiter und beschrieb ein neues Strahlbildgebungsverfahren, das auf der Messung der kohärenten Strahlung basiert, die entsteht, wenn sich eine Ansammlung von Elektronen durch eine Blende bewegt. Sowohl die Winkel- als auch die räumliche Verteilung der kohärenten Beugungsstrahlung wird aufgezeichnet und analysiert, um die Strahllänge zu ermitteln.

Von besonderer Bedeutung ist, dass die Wissenschaftler die Punktquellenfunktion der Beugung der kohärenten Strahlung im Terahertz-Wellenlängenbereich abbilden konnten. Anhand des Elektronenstrahls, der mit einer Energie von 20 GeV an der Facility for Advanced Accelerator Experiment Tests (FACET) der US-amerikanischen Universität Stanford erzeugt wurde, konnten sie zudem belegen, dass keine Kontamination durch andere Strahlungsquellen vorlag.

Die in DITA-IIF entwickelten Diagnosesysteme unterstützen nicht nur die Abbildung hochenergetischer Strahlen, sondern könnten sich auch ausgezeichnet zur Anwendung mit verschiedensten Beschleunigern und Lichtquellen eignen. "Sie liefern ein höheres Auflösungsvermögen, sind in minimalinvasiv und eröffnen völlig neue Möglichkeiten zur vollständigen Charakterisierung eines Strahls aus geladenen Teilchen", schließt Professor Welsch.

Fachgebiete

Life Sciences

Schlüsselwörter

Strahlbildgebung, Abbildung kohärenter Strahlung, Teilchenbeschleuniger, DITA-IIF, Lichtquellen
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