Ein Team von Forschenden der Shanghai Jiao Tong Universität, DESY und der Universität Hamburg hat die erste praktische Terahertz (THz)-angetriebene Elektronenkanone entwickelt. Elektronenquellen, die ultrakurze und ultrahelle Elektronenpakete ermöglichen, haben in letzter Zeit zum Einsatz von ultraschnellen Elektronenbeugungsinstrumenten als komplementäre Technologie zu Freie-Elektronen-Röntgenlasern geführt, um die Struktur und Funktion von atomaren, molekularen und Nanosystemen auf ihren intrinsischen Zeitskalen zu bestimmen.

Durch die Steuerung bei THz-Frequenzen lassen sich effiziente Extraktionsfelder für ultra-niedrige Emittanz und damit ultra-helle Teilchenquellen erzielen. Darüber hinaus wird die THz-Strahlung aus demselben optischen Laserpuls abgeleitet wie der optische Triggerpuls, mit dem der untersuchte Prozess ausgelöst wird, und ist daher auf der Femto- und möglicherweise Attosekunden-Zeitskala mit dem resultierenden Elektronenpaket synchronisiert. Die Studie befasst sich mit der Herausforderung, ausreichende Helligkeit, Energie und Kontrolle in Terahertz (THz)-gesteuerten Elektronenquellen für anspruchsvolle ultraschnelle Anwendungen zu erreichen. Die Terahertz (THz)-basierte Elektronenbeschleunigung ist eine vielversprechende Technologie für kosteneffiziente kompakte Elektronenquellen der nächsten Generation. Obwohl Wissenschaftler:innen bereits bewiesen haben, dass viele THz-getriebene Beschleunigerkomponenten funktionieren, sind THz-getriebene Elektronenkanonen mit ausreichender Helligkeit, Energie und Kontrolle für den Einsatz in anspruchsvollen ultraschnellen Anwendungen noch nicht gezeigt worden. In der hier veröffentlichten Arbeit stellt das Team eine neuartige mehrzellige wellenleiterbasierte THz-getriebene Elektronenkanone im Millimeterbereich vor, die die Feldverstärkung zur Erhöhung der Elektronenenergie, eine bewegliche Kathode zur präzisen Steuerung der Beschleunigungsphase sowie eine zusätzliche Zelle zur Pulskompression nutzt.  

Die kurzen THz-Antriebspulse ermöglichten einen maximalen Beschleunigungsgradienten von bis zu etwa drei GV/m, was zu Elektronenstrahlen mit Energien von etwa 14 keV, einer minimalen Energiesunschärfe und einer außergewöhnlichen Strahlqualität mit einer transversalen Emittanz von nur etwa 0,02 mm mrad führte. Durch die Integration einer Kompressionszelle gelang es ihnen, das Elektronenbündel um das Zehnfache auf eine Dauer von 167 Femtosekunden zu komprimieren, was den Nutzen für ultraschnelle Anwendungen erhöht.

Die Studie demonstrierte auch die praktische Anwendbarkeit der Technologie: sie erzeugte qualitativ hochwertige Beugungsmuster von einkristallinem Silizium und projektionsmikroskopische Bilder eines Kupfernetzes, was neue Möglichkeiten in der Elektronenprojektionsmikroskopie und -beugung eröffnete. Darüber hinaus waren die Forschenden in der Lage, transiente radiale elektrische Felder auf dem Kupfernetz mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung abzubilden, was für plasmabasierte Strahlmanipulation eine Rolle spielen könnte.

Diese in Nature Photonics veröffentlichte Forschungsarbeit stellt die höchste Energie, den höchsten Beschleunigungsgradienten und die höchste Strahlqualität dar, die bisher von einem rein optisch betriebenen THz-Bauelement berichtet wurden, und verspricht spannende Aussichten für künftige Implementierungen in kompakten Strahlungsquellen und anderen Forschungsbereichen.

 

Originalveröffentlichung
"High gradient Terahertz-driven ultrafast photogun", J. Ying, X. He, D Su, L. Zheng, T. Kroh, T. Rohwer, M. Fakhari, G. Kassier, J. Ma, P. Yuan, N. H. Matlis, F. X. Kärtner and D. Zhang, Nature Photonics (2024); DOI: 10.1038/s41566-024-01441-y