25.05.2018

Mit Höchstleistung zu den Sternen

Am Hochleistungslaser PHELIX lassen sich Plasmen untersuchen, wie sie in Sternen oder dem Inneren großer Planeten vorkommen.

Über hundert Experimente in 115 Strahlzeiten und mehr als 70 wissenschaftliche Publikationen: Seit zehn Jahren ist der Hochleistungslaser PHELIX am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt in Betrieb und sorgt immer wieder für herausragende Ergebnisse. Grund dafür ist die weltweit einzigartige Möglichkeit, einen hochintensiven Laserstrahl und einen Schwerionenstrahl in den Experimenten zu kombinieren. Damit lässt sich Materie im Labor in einen Zustand versetzen, wie er in Sternen oder im Inneren großer Gasplaneten vorliegt – ein faszinierendes Guckloch in exotische Welten mit extremen Bedingungen.

PHELIX (Petawatt High-Energy Laser for Ion Experiments) ist einer der leistungsstärksten Laser auf der Welt: Die wenige hundert Femtosekunden langen Laserpulse bündeln eine Energie von bis zu 1000 Joule. Dadurch entstehen Intensitäten von 1021 W/cm2 – das entspricht etwa einer Trillion Laserpointer. Um das zu erreichen, werden die schwachen Laserpulse eines Ytterbium-dotierten Faserlasers oder eines Titan:Saphir-Lasers in drei Stufen mithilfe der Chirped Pulse Amplification verstärkt.

Blick in einen Verstärker des PHELIX-Lasers (Foto: Gabi Otto / GSI)
Blick in einen Verstärker des PHELIX-Lasers (Foto: Gabi Otto / GSI)

Wenn die Forscherinnen und Forscher damit eine Materialprobe bestrahlen, heizt sich diese so stark auf, dass ein Plasma entsteht. In diesem vierten Aggregatzustand liegen Atomkerne und Hüllelektronen getrennt vor, und die Materie entwickelt ganz spezielle Eigenschaften. Um diese zu erforschen, analysieren die Wissenschaftler an PHELIX die Reaktionen, die auftreten, wenn sie das Plasma mit Ionen aus der GSI-Beschleunigeranlage bombardieren. Dann muss alles sehr schnell gehen: Zahlreiche Detektoren zeichnen die Strahlung auf und weisen die Teilchen nach, die dabei emittiert werden. Danach ist erstmal wieder Pause angesagt, denn der komplexe Aufbau von PHELIX, der gut und gerne ein zweistöckiges Wohnhaus füllen könnte, kann nur alle 90 Minuten einen Laserpuls erzeugen. Das soll in Zukunft schneller gehen, um die Strahlzeiten effizienter nutzen zu können.

Außerdem untersuchen einige Arbeitsgruppen die Möglichkeit, den Laserstrahl zum Beschleunigen von Ionen zu verwenden. Das Konzept eines Plasmabeschleunigers wird weltweit als Alternative zu den derzeit gängigen Beschleunigungsmechanismen diskutiert. Bei PHELIX geht es vor allem um die Frage, wie es gelingen kann, die erzeugten Ionenstrahlen ohne allzu große Verluste in konventionelle Beschleunigerstrukturen zu überführen. Neben den daraus resultierenden höheren Intensitäten, haben die Untersuchungen aber auch höhere Energien und eine größere Auswahl an Ionensorten zum Ziel.

Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter an PHELIX sind international sehr gut vernetzt. Beispielsweise ist die Anlage zusammen mit den wichtigsten Laserlaboratorien Europas Teil des Laserlab Europe.

Kerstin Sonnabend

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