Forschungsprojekte

Wechselwirkung schwerer Ionen mit dichten Plasmen

Energieverlust – Laser-Plasma-Physik – Hohlraumtargets

Leuchten eines Laserplasmas, das durch beidseitiges Heizen einer Kohlenstofffolie mit den Hochenergielasern PHELIX und NHELIX erzeugt wurde.
Leuchten eines Laserplasmas, das durch beidseitiges Heizen einer Kohlenstofffolie mit den Hochenergielasern PHELIX und NHELIX erzeugt wurde.

Die Wechselwirkung schwerer Ionen mit Materie ist ein Forschungsgebiet mit langer Tradition an Beschleunigerlaboratorien. Diese Forschung hat starken Bezug zur Astro und Fusionsphysik. Im Gegensatz zu der bereits gut verstandenen Wechselwirkung mit kalter Materie ist die Wechselwirkung mit ionisierter Materie, insbesondere mit dichten Plasmen noch weitgehend unerforscht. Neben gebundenen Elektronen wirken hier auch die freien Elektronen an der Wechselwirkung mit. Die GSI biete weltweit die einzigartige Möglichkeit Hochenergielaser zur Erzeugung dichter Plasmen und eine Linearbeschleuniger für Schwerionen zu kombinieren. Unsere Arbeitsgruppe forscht hier, weltweit führend, mit zahlreichen Experiementen in diesem Gebiet.

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Beschleunigung von Ionen mit Lasern

Laser-Teilchen-Beschleunigung – Relativistische Plasmaphysik – Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) – Laser Break-Out Afterburner (BOA)

Teilchenburst, nachdem mit einem Hochenergie Kurzpulslaser auf eine Goldfolie geschossen wurde. Der Laser kommt von links, die Protonen werden senkrecht zur Targetoberfläche nach vorne beschleunigt. (Burst from a 100 TW laser at Luli (École Polytechnique) )
Teilchenburst, nachdem mit einem Hochenergie Kurzpulslaser auf eine Goldfolie geschossen wurde. Der Laser kommt von links, die Protonen werden senkrecht zur Targetoberfläche nach vorne beschleunigt. (Burst from a 100 TW laser at Luli (École Polytechnique) )

Die Entdeckung intensiver Ionenstrahlen aus relativistischen Laserplasmen ist erst einige Jahre alt. 1999 wurden an mehreren Laboratorien nahezu zeitgleich intensive Strahlen von Ionen beobachtet, die eine nie gekannte Stromstärke mit einer fantastische Strahlqualität und sehr kurzer Pulsdauer aufweisen. Seitdem wird an vielen Orten weltweit intensiv an der Erzeugung dieser Strahlen, der zugrunde liegenden Physik und möglichenr Anwendungen geforscht. Unsere Forschungsgruppe arbeitet von Anfang an mit vielen internationalen Laboren an der Erforschung dieser Phänomene (siehe: Welt der Physik.de).

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Lasergetriebene Neutronenquellen

Lasergetriebene Neutronenquelle – relativistische Transparenz

Neutrographie von Polyamid-Zahnrädern im Innern eines Waschmaschinen-Programmschaltwerks aus Stahlblech. (Quelle: Wikipedia)
Neutrographie von Polyamid-Zahnrädern im Innern eines Waschmaschinen-Programmschaltwerks aus Stahlblech. (Quelle: Wikipedia)

Klingt unmöglich – ist es aber nicht! Seit 2012 forscht unsere Gruppe an einem völlig neuen Ansatz gerichtete und kurz gepulste intensive Neutronen zu erzeugen. Diese neuartigen Neutronenquellen basieren auf der Laser-Teilchenbeschleunigung, wobei mit einem intensiven Laserpuls über den BOA Mechanismus sehr schnelle Ionen beschleunigt werden. Die Ionen treffen auf ein Konvertertarget, in welchem durch nukleare Prozesse Neutronen erzeugt und in hohem Maße in Vorwärtsrichtung abgestrahlt werden. Neutronen sind einzigartige Teilchen, mit denen unterschiedlichste Proben zum Beispiel mittels Radiographie zerstörungsfrei untersucht werden können. Die Anwendung reicht von der Biologie über die Materialwissenschaften bis hin zur Sicherheitstechnik.

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Zustände wie im Uranus – Erzeugung warmer dichter Materie

Warme dichte Materie (WDM) – Röntgendiagnostik – Thomson Streuung – Laser-Röntgenquellen

Die Materiezustände in Gasriesen wie dem Neptun nennt man Warme Dichte Materie (WDM). Die Physik darin, insbesondere die Phasenübergänge und Zustandsgleichungen, ist noch weitgehend unverstanden.
Die Materiezustände in Gasriesen wie dem Neptun nennt man Warme Dichte Materie (WDM). Die Physik darin, insbesondere die Phasenübergänge und Zustandsgleichungen, ist noch weitgehend unverstanden.

Mit Schockwellen oder intensiven Ionenstrahlen kann Kohlenstoff derart komprimieren werden, dass bereits eine vielfache Festkörperdichte erreicht wird, sich das Material aber nicht weit genug aufheizt, um ein Plasma zu bilden. Diese Zustände liegen im Inneren von Gasplaneten vor und man betritt mit diesen Parametern das Regime der so genannten warmen dichten Materie (WDM). Die Phasendiagramme und Zustandsgleichungen in diesem Regime sind noch weitgehend unbekannt. Die Physik darin ist essentiell in der Planeten- und Sternenforschung, um beispielsweise die Materiezustände in Gasriesen wie Neptun und Uranus zu verstehen. Der WDM Zustand wird bei uns mit lasergetriebenen Schockwellen oder intensiven Protonenstrahlen erzeugt und mit einer ebenfalls lasergetriebenen Röntgenquelle radiographiert und untersucht. Das reflektierte Röntgenlicht gibt Aufschluss über den vorliegenden Phasenzustand.

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High-end Targetentwicklung

Laserschneiden – Galvanisieren – Zwei Photonenpolymerisation

Die Targets, die in den verschiedenen Experimenten mit den Lasern beschossen werden, müssen in Form, Präzision und Reinheit höchsten Ansprüchen genügen. Solche speziellen Targets können nirgends gekauft oder bestellt werden. Deswegen müssen eigene Herstellungsverfahren entwickelt werden, um diese in ausreichender Stückzahl produzieren zu können. Die intensive Zusammenarbeit mit dem Targetlabor der TU Darmstadt unter Führung von Dr. Schaumann ermöglicht uns die Benutzung spezieller Verfahren und Techniken, um fast alle Targetträume wahr werden zu lassen.

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Diagnostikentwicklung

Mit unseren Experimenten betreten wir zumeist physikalisches Neuland und müssen die Messgeräte und Diagnostikinstrumente dafür neu entwickeln.

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Injektion Laser Beschleunigter Ionen in Teilchenbeschleuniger (LIGHT Kollaboration)

Für die meisten Anwendungen werden die laserbeschleunigten Ionen nicht direkt am Ort der Erzeugung benötigt, sondern müssen über größere Strecken transportiert und modifiziert werden (Energiefilterung, Nachbeschleunigung, Fokussierung). Hierfür gibt es in der Beschleunigerphysik konventionelle Strahlführungssysteme. Der Einsatz laserbeschleunigter Ionen als neuartige Quelle für multi-MeV Ionen birgt hier großes Potenzial dank ihrer einzigartigen Eigenschaften (Kompaktheit, geringe Emittanz).

Dafür muss eine passende Schnittstelle zwischen beiden Technologien entwickelt werden, denn wenn man die Vorteile der Laser-Teilchen Beschleunigung (Kurze Beschleunigungsstrecke, kurze Pulse) mit den Vorteilen eines konventionellen Beschleunigers (einfache Ionenoptik und Strahlführung) kombinieren will, muss man die laserbeschleunigten Ionen nach Erzeugung im Target punktgenau einfangen und weiter in die Ionenoptiken des Beschleunigers leiten.

Dies ist technisch sehr anspruchsvoll und erfordert eine hohes Know-How, sowohl in der Laser- und Plasmaphysik, der Hochfeld Magnetphysik als auch in der Beschleunigertechnologie. Aus dieser Problemstellung ist eine nationale Kollaboration aus Universitäten und Helmholtzzentren entstanden: LIGHT (Laser Ion Generation, Handling and Transport). Die von Prof. Markus Roth initiierte und geleitete LIGHT Kollaboration arbeitet intensiv auf allen damit verbundenen Gebieten: Laser-, Plasma- und Beschleunigerphysik. Zur experimentellen Realisierung existiert ein Teststand am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. Dieser bietet in einzigartiger Weise die nötige Beschleunigerinfrastruktur der GSI sowie den Hochleistungslaser PHELIX zur Laser-Ionen-Beschleunigung vereint an einem Ort.

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Laserentwicklung

MainAmpPheix

Die Forschung im Bereich der Laser-Plasma-Wechselwirkung benötigt Hochenergie-Lasersysteme, welche stets weiterentwickelt und optimiert werden müssen.

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