Billard mit Laserlicht

  • 01. February 2018

Lasergetriebene Beschleunigung von Protonen durch winzige Plastikkügelchen.

Eine Forscher­gruppe um Physiker der Ludwig-Maxi­milians-Univer­sität München LMU hat auf winzige Plastik­kügelchen starke Laser­pulse auftreffen lassen. Durch diese Inter­aktion beschleu­nigten sie einen Teil der Kügel­chen auf nahezu Lichtge­schwindigkeit. Der produzierte Protonen­strahl unterscheidet sich grund­legend von den bisher mit Folien erzeugten Strahlen: Er weist eine um ein Viel­faches größere Dichte an Teilchen auf.

Abb.: Künstlerische Darstellung der Laser-Plasma Interaktion. Der Laserstrahl trifft auf das in der elektrodynamischen Falle schwebende Plastikkügelchen und beschleunigt hierbei Elektronen und Protonen. (Bild: M. Menke)

Abb.: Künstlerische Darstellung der Laser-Plasma Interaktion. Der Laserstrahl trifft auf das in der elektrodynamischen Falle schwebende Plastikkügelchen und beschleunigt hierbei Elektronen und Protonen. (Bild: M. Menke)

Eine neue Ent­wicklung in der Beschleuniger­technologie sind laser­getriebene Plasmabe­schleuniger. Dabei werden Elektronen oder Protonen mit Hilfe starker Laser auf nahezu Lichtge­schwindigkeit gebracht. Die laser­getriebene Beschleu­nigung von Protonen eröffnet neue Wege kompakte Beschleu­niger zu bauen. Als Quelle für die Protonen dient in der Regel eine dünne Folie, die mit einem starken Laser­puls beschossen wird. Dabei werden Ionen beschleunigt. Die Physiker haben nun diese Folie durch schwebende Plastik­kügelchen ersetzt. Der Durch­messer dieser Kugeln beträgt nur einen Mikro­meter. Die Mikro­kugeln sind so klein, dass man sie weder aufhängen noch aufspießen kann. Die Forscher ließen die Kugeln mit hoher Präzi­sion schweben.

Um Protonen aus den Plastik­kügelchen zu beschleunigen, benötigt man starke Laser­systeme. Der in diesem Experi­ment benutzte PHELIX-Laser in Darmstadt erzeugte Licht­pulse mit einer Dauer von 500 Femto­sekunden. Jeder Puls verfügte über eine Energie von 150 Joule. Die Laser­energie wird in einem mikro­skopisch kleinen Bereich konzen­triert, vergleichbar mit dem Quer­schnitt eines mensch­lichen Haares. Hierbei entsteht eine extrem große Leistungs­dichte: Man müsste den Jahres­energie­verbrauch der gesamten Menschheit innerhalb einer Sekunde durch die Fläche von einem Quadrat­zentimeter trans­portieren um eine ähnliche Inten­sität zu erhalten. In diesen winzigen energie­dichten Bereich posi­tionierten die Forscher eine einzelne Mikro­kugel. Durch die spezielle Geometrie des Targets entstanden einzig­artige Plasma­bedingungen, welche mit Folien­targets nahezu uner­reichbar sind.

Bei der laser­getriebenen Protonen­beschleunigung ist die Verteilung der Geschwin­digkeiten normaler­weise exponen­tiell, d.h. es gibt viele Teilchen bei niedri­geren Geschwindig­keiten und wenige bei höheren. Das Experiment wich hiervon entscheidend ab. Die meisten Teilchen waren annähernd gleich schnell. Dies ist für laser­beschleunigte Protonen unge­wöhnlich und von ent­scheidender Bedeutung für künftige Anwen­dungen. Parallel zum Experiment wurden Simu­lationen auf dem Super­computer Titan durch­geführt. Sie zeigten, dass der erzeugte Protonen­strahl etwa vierzehn Prozent aller anfänglich in der Kugel vorhan­denen Protonen enthielt. Dies bedeutet, dass ein Großteil der Kugel kompakt und ziel­gerichtet beschleunigt wurde. Die Simu­lation zeigte weiter, dass in dem Experiment die Laser­energie nur zu einem geringen Teil in Protonen­energie umgesetzt wurde und noch Raum für Opti­mierung zur Verfügung ist.

„Vereinfacht, kann man sich das Experiment wie beim Billard­spiel vorstellen, wobei die eine Kugel aus Licht besteht und die andere unsere mikro­skopisch kleine schwebende Kugel darstellt“, erklärt Peter Hilz, der Leiter des Experi­ments. Die neuen Protonen­strahlen werden Experimente ermög­lichen, die früher als undurch­führbar galten. „In den nächsten Jahren müssen wir diesen neuen Beschleunigungs­prozess durch weitere Simu­lationen und Experi­mente opti­mieren“, ergänzt Hilz. Mögliche Anwen­dungen stellen dar: Fusions­forschung, Materialkunde sowie die Krebs­therapie. Auch die physi­kalische Grundlagen­forschung kann von solchen neuartigen Protonen­strahlen profi­tieren. So können sie helfen, Materie­zustände, wie sie im Inneren der Sonne oder in schweren Planeten vorkommen, im Labor zu erschaffen und zu unter­suchen.

An der Kolla­boration beteiligt waren auch Forscher des Max-Planck-Instituts für Quanten­optik, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossen­dorf, des GSI Helmholtz­zentrums für Schwerionen­forschung Darmstadt, der Technischen Univer­sität Darmstadt, der Technischen Univer­sität Dresden, der Goethe-Univer­sität Frankfurt am Main sowie des Helmholtz-Instituts Jena.

MPQ / JOL

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