Extrem klein und schnell: Laser zündet heißes Plasma

Neues aus der Forschung

Meldung vom 18.09.2018

Feuert man Lichtpulse aus einer extrem starken Laseranlage auf Materialproben, reißt das elektrische Feld des Lichts die Elektronen von den Atomkernen ab. Für Sekundenbruchteile entsteht ein Plasma. Dabei koppeln die Elektronen mit dem Laserlicht und erreichen beinahe Lichtgeschwindigkeit. Beim Herausfliegen aus der Materialprobe ziehen sie die Atomrümpfe (Ionen) hinter sich her. Um diesen komplexen Beschleunigungsprozess experimentell untersuchen zu können, haben Forscher aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) eine neuartige Diagnostik für innovative laserbasierte Teilchenbeschleuniger entwickelt.


„Unser Ziel ist ein ultrakompakter Beschleuniger für die Ionentherapie, also die Krebsbestrahlung mit geladenen Teilchen“, so der Physiker Dr. Thomas Kluge vom HZDR. Neben Kliniken könnten Universitäten und Forschungseinrichtungen von der neuen Beschleunigertechnologie profitieren. Vor der Nutzungsreife ist jedoch noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu leisten. So werden mit dem DRACO-Laser am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf derzeit Energien von rund 50 Megaelektronenvolt erreicht. Um einen Tumor mit Protonen (den leichtesten Ionen) zu bestrahlen, benötigt man 200 bis 250 Megaelektronenvolt. Aufgrund seiner ultrakurzen Pulse im Bereich weniger Femtosekunden – in dieser Zeit durchquert ein Lichtstrahl gerade mal den Bruchteil eines menschlichen Haars – erreicht der DRACO-Laser eine Leistung von knapp einem Petawatt. Das entspricht dem Hundertfachen der weltweit erzeugten, mittleren elektrischen Leistung.

„Wir müssen die einzelnen Vorgänge bei der Beschleunigung von Elektronen und Ionen noch viel besser verstehen“, betont Kluge. Gemeinsam mit Kollegen aus Dresden, Hamburg, Jena, Siegen und aus den USA gelang es nun erstmalig, quasi live diese extrem schnell ablaufenden Prozesse am Nationalen Beschleunigerlabor SLAC der amerikanischen Universität Stanford zu beobachten. Dazu benötigen die Wissenschaftler zeitgleich zwei besondere Laser.


 
HZDR-Forscher berechnen und beobachten die Entwicklung der Plasmadichte nach der Bestrahlung eines Silizium-Gitters mit dem Hochintensitäts-Kurzpulslaser des SLAC (USA).

Der Hochintensitäts-Laser am SLAC verfügt über eine Leistung von immerhin rund 40 Terawatt – ist also etwa 25-fach schwächer als DRACO. Beim Auftreffen auf die Materialprobe (Target) zündet er das Plasma. Der zweite Laser ist ein Röntgenlaser, mit dem sich die einzelnen Prozesse genau aufzeichnen lassen: von der Ionisation der Teilchen im Target und der Expansion des Plasmas über die auftretenden Plasma-Oszillationen und Instabilitäten beim Heizen der Elektronen auf einige Millionen Grad Celsius bis hin zur effizienten Beschleunigung der Elektronen und Ionen.

„Mit der Methode der Kleinwinkel-Streuung haben wir Messungen im Femtosekunden-Bereich und auf Skalen von wenigen Nanometer bis hin zu einigen hundert Nanometer realisiert“, berichtet Melanie Rödel, die als HZDR-Doktorandin federführend am Experiment beteiligt war. Mehrjährige Arbeiten waren nötig, um diese Bereiche zu erschließen und saubere Signale auf den Streubildern des Röntgenlasers zu erhalten. „Die neue Diagnostik für laserbasierte Beschleuniger hat unsere Erwartungen an die räumliche und zeitliche Auflösung hervorragend bestätigt. Damit haben wir das Fenster für die direkte Beobachtung plasmaphysikalischer Prozesse in Echtzeit geöffnet“, freut sich Dr. Josefine Metzkes-Ng, Leiterin einer der beteiligten Nachwuchsgruppen am Institut für Strahlenphysik des HZDR.

Ab 2019 steht ein Experimentieraufbau der nächsten Generation mit einem deutlich leistungsstärkeren Kurzpuls-Laser an der Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) zur Verfügung, die das HZDR derzeit im Rahmen einer internationalen Kollaboration am weltstärksten Röntgenlaser European XFEL in der Nähe von Hamburg aufbaut.

Hohe Elektronendichte dank Fingerstruktur

Ein besonderer Aha-Effekt der erfolgreichen Experimente war für die beteiligten Physiker ein spezielles Detail aus ihren Berechnungen. „Unsere Targets wurden am Ionenstrahlzentrum des HZDR speziell entwickelt, damit sie an der Oberfläche eine Art winzige Fingerstruktur aufweisen. Der Laserstrahl streut an dieser Struktur, sodass besonders viele Elektronen aus den Ecken beschleunigt werden und sich überkreuzen“, führt Thomas Kluge aus. Dass dieses durch die Berechnungen vorhergesagte Detail im Experiment zu entdecken war – immerhin läuft es in einer Zeitspanne von nur zehn Femtosekunden ab –, schürt Hoffnungen. Etwa darauf, weitere spontane Musterbildungen (Instabilitäten) beobachten zu können. Diese können zum Beispiel durch die Schwingung der Elektronen im elektromagnetischen Feld des Lasers entstehen.

Dabei geht es den Forschern zum einen darum, Instabilitäten zu identifizieren, die die Beschleunigung der Elektronen und Ionen stören – um diese etwa durch die Auswahl geeigneter Targets zu vermeiden. „Wir wissen aus unseren Simulationen aber auch, dass Instabilitäten die Effizienz des Beschleunigungsvorgangs sogar erhöhen können“, erläutert der Physiker. „In unseren Simulationen konnten wir etwa die Raleigh-Taylor-Instabilität identifizieren.“ Diese führt dazu, dass der optische Laser mehr Energie in das von ihm erzeugte Plasma überträgt. Solche ‚positiven‘ Instabilitäten könnten also eine wichtige Stellschraube sein, um den über die Elektronen vermittelten Prozess der Ionenbeschleunigung zu optimieren.

Von der neuen HIBEF-Anlage erwarten sich die Laserexperten viele weitere Aufschlüsse zur Plasma-Beschleunigung. Dieses ‚Extremlabor‘ des HZDR wird die Station für Experimente bei hohen Energiedichten („High Energy Density Science Instrument“, HED) am European XFEL mit Hochleistungslasern ausstatten. „Der Röntgenpuls aus dem European XFEL, mit dem wir die Prozesse im Plasma vermessen werden, ist sehr kurz. Wir planen zudem den Einsatz zusätzlicher diagnostischer Tools, sodass wir beispielsweise die Plasma-Oszillationen optimal studieren und weitere Instabilitäten im Experiment sehen und auch gezielt erzeugen können“, blickt Thomas Kluge voraus. So wollen die HZDR-Forscher ihrem Ziel, einen ultrakompakten Laserbeschleuniger für die Protonentherapie von Krebserkrankungen zu entwickeln, Schritt für Schritt näher kommen.


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw-online


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung