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Dank eines Humboldt-Forschungspreises wechselt Prof. Michael Downer vorübergehend bis Ende Januar 2018 von der texanischen Universität Austin ans Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Der Experte für Laser- und Plasmaphysik will hier Methoden weiterentwickeln, um Prozesse, die sich bei der Laser-Beschleunigung von Teilchen abspielen, besser zu visualisieren. Mit seinen Dresdner Kollegen will Downer so die Leistung einer neuen Art von Beschleunigern ausbauen. Das könnte die riesigen Anlagen, mit denen die Teilchen bisher hauptsächlich beschleunigt werden, wesentlich verkleinern – ein Traum für viele Labore.
Als ultimative Herausforderung für Photographen umschreibt Michael Downer einen Fokus seiner Forschung. Er übertreibt nicht – immerhin will der US-amerikanische Wissenschaftler zeigen, was passiert, wenn ein hochintensiver Laserpuls mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf ein Gas trifft. „Dabei bildet sich sogenanntes Plasma, ein brodelndes Gemisch aus geladenen Teilchen“, erklärt Michael Downer. „Der Puls reißt Elektronen aus den Atomen heraus und kreiert eine Art Blase im Plasma, die ein starkes elektrisches Feld enthält. Dieses Feld, das der Laserpuls mit sich zieht, schließt die Elektronen ein und beschleunigt sie auf diese Weise extrem.“ Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten und kurzen Dauer konnten die Strukturen, die dabei entstehen, und die Prozesse, die dabei ablaufen, lange nur aufwendig per Computer simuliert werden.
Vor kurzem haben Downer und sein texanisches Team jedoch eine Methode entwickelt, mit der sie die Entstehung und Ausbreitung von Plasma-Blasen, die sie mit einem Laserstrahl angeregt hatten, aufzeichnen konnten. „Das hat uns Informationen darüber geliefert, wie die optimalen Bedingungen für die Beschleunigung aussehen, wodurch wir anschließend die Beschleunigerleistung verbessern konnten“, fasst Michael Downer zusammen. Die Technik, die auf den Möglichkeiten der Computer-Tomographie beruht, will der Physiker mit einem weiteren Kollegen sowie zwei Doktoranden aus Texas auch am HZDR integrieren. Mit dem Kurzpulslaser DRACO, der eine Leistung von einem Petawatt, also einer Billiarde Watt, erreichen kann, bietet das Dresdner Forschungszentrum die perfekte Umgebung, um die Technik weiterzuentwickeln.
„Miniatur“-Beschleuniger für die Forschung
„Im Vergleich zu dem Laser, an dem wir die Methode bisher getestet haben, kann DRACO größere Plasma-Strukturen erzeugen, die sich über längere Strecken ziehen“, erläutert Downer. „Außerdem gibt uns die Anlage die Möglichkeit, den Beschleunigungsprozess mit zwei Laserpulsen zu lenken – der erste erzeugt die Strukturen, mit dem zweiten kontrollieren wir die beschleunigten Elektronen. Das bringt uns neue Einblicke in die Physik der Laser-Plasma-Beschleunigung.“ Kombiniert mit der Dresdner Expertise und dem HZDR-Simulationsprogramm PIConGPU wollen die Forscher aus Texas und Sachsen so vierdimensionale Aufnahmen der Prozesse ermöglichen. Das soll dabei helfen, die Leistung von lasergetriebenen Beschleunigern zu optimieren. So gelang dem Team um Michael Downer vor einigen Jahren erstmals, Elektronen mit diesem neuartigen Beschleunigertyp, der schon auf einer Tischplatte Platz findet, auf Energien von zwei Gigaelektronenvolt zu bringen. Übliche Linearbeschleuniger bräuchten dafür eine Länge von einigen Hundert Metern.
Die Beschleunigung per Laserkraft könnte somit die riesigen Anlagen schrumpfen lassen, wodurch sich sogar kleinere Labore die bislang kostspielige Infrastruktur leisten könnten. „Wir können die Elektronen in Röntgenstrahlung umwandeln, die genauso hell ist wie die von den konventionellen Anlagen“, erläutert Downer. „Chemiker und Biologen könnten dann zum Beispiel in ihren eigenen Laboren mit dieser Strahlung die molekulare Grundlage der Materie untersuchen, ohne zu einer der großen Einrichtungen reisen zu müssen.“
Hintergrund Humboldt-Forschungspreis: Die Alexander von Humboldt-Stiftung zeichnet jährlich bis zu 100 international anerkannte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Ausland mit einem Humboldt-Forschungspreis aus, der mit 60.000 Euro dotiert ist. Bei der Auswahl zählt vor allem, ob die Entdeckungen oder Erkenntnisse der nominierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das eigene Fachgebiet auch über das engere Arbeitsgebiet hinaus grundlegend und nachhaltig geprägt haben.
Weitere Informationen:
Prof. Michael Downer
Institut für Strahlenphysik am HZDR
E-Mail: m.downer@hzdr.de
Medienkontakt:
Simon Schmitt | Wissenschaftsredakteur
Tel. +49 351 260-3400 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf | Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden | www.hzdr.de
Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen betreibt das HZDR große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
Das HZDR ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat fünf Standorte (Dresden, Freiberg, Grenoble, Hamburg, Leipzig) und beschäftigt rund 1.100 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.
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Durch seinen Forschungsaufenthalt am HZDR stärkt der Humboldt-Preisträger Prof. Michael Downer von d ...
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Durch seinen Forschungsaufenthalt am HZDR stärkt der Humboldt-Preisträger Prof. Michael Downer von d ...
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