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
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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.
__Abteilung Kommunikation und Medien
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