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22.05.2018

 

PHELIX-Jubiläum

Heiße Plasmen und schnelle Ionen: Hochleistungslaser PHELIX feiert 10-jähriges Jubiläum


Blick in einen Verstärker des PHELIX-Lasers. Foto: G. Otto / GSI

PHELIX-Laserlabor. Foto: J. Hosan / GSI

In diesem Monat ist der Hochleistungslaser PHELIX am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt seit zehn Jahren in Betrieb. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt haben mit PHELIX die weltweit einzigartige Möglichkeit, Laserstrahlen und Ionenstrahlen, die in der bestehenden Beschleunigeranlage produziert werden, in Experimenten miteinander zu kombinieren. So lässt sich beispielsweise Materie im Extremzustand erforschen, wie sie in Sternen oder im Inneren von großen Planeten vorkommt.

 

PHELIX (Petawatt High-Energy Laser for Ion Experiments) gehört zu den stärksten Lasern weltweit. Er kann Laserpulse mit Energien bis zu 1.000 Joule und Laserpulse mit Leistungen bis zu einem halben Petawatt liefern. Die Leistung ist Trillionen Mal, das heißt Milliarden mal Milliarden Mal, höher als bei einem Laserpointer oder einem Laser in einem CD-Spieler.

 

PHELIX hat solche Ausmaße, dass er in einem eigenen Gebäude von der Größe eines zweistöckigen Wohnhauses unter Reinraumatmosphäre untergebracht ist. Der Laserstrahl, der einen Durchmesser von 30 cm besitzt, wird mit Spezial-Spiegeln zum Experimentierplatz geleitet und dort auf einen Punkt fokussiert. Nur etwa alle 90 Minuten kann ein Laserpuls erzeugt werden.

 

Seit der ersten Inbetriebnahme im Jahr 2008 hat PHELIX insgesamt 115 Betriebszeiträume, sogenannte Strahlzeiten, absolviert. Über 100 Experimente wurden dabei erfolgreich durchgeführt, daraus resultieren mehr als 70 wissenschaftliche Publikationen. Die Nachfrage aus den Forschungscommunitys nach Strahlzeit an PHELIX ist seit Jahren groß, regelmäßig wird mehr Strahlzeit angefragt als bedient werden kann. Daher gibt es ein festgelegtes Auswahlverfahren, um Forschergruppen zu ermöglichen, an PHELIX ihre Fragestellungen zu untersuchen. Nach den jeweiligen Aufrufen zur Einreichung von Vorschläge werden diese von einem internationalen Komitee begutachtet und nach wissenschaftlicher Relevanz und Machbarkeit ausgewählt.

 

„Mit PHELIX können in Kombination mit der GSI-Beschleunigeranlage für Ionen weltweit einzigartige Experimente durchgeführt werden“, sagt Dr. Vincent Bagnoud, Leiter der Forschungsabteilung „Plasmaphysik/PHELIX“ bei GSI. „Ziel ist es, Materie zu erforschen, wenn sie als sogenanntes Plasma vorliegt. Dabei ist die Atomhülle ganz oder teilweise von den Atomkernen getrennt. Dies ist nur unter Extrembedingungen, das heißt vor allem hohen Temperaturen möglich, wie sie in Sternen oder im Inneren von großen Planeten, zum Beispiel dem Jupiter, vorherrschen.“ Plasma ist einer der vier Aggregatzustände, die Materie annehmen kann – neben den bekannteren Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig. Aus dem Alltag sind uns weniger energiereiche Plasmen bekannt, etwa eine Kerzenflamme oder Blitze bei einem Gewitter.

 

In ihren Experimenten bestrahlen die Forscherinnen und Forscher Materialproben. Sie können durch den Laserstrahl so stark aufgeheizt werden, dass sich ein Plasma bildet. Nur Bruchteile von Sekunden später können sie mit Ionen beschossen werden. Die Analyse der dabei auftretenden Reaktionen erlaubt es, die Eigenschaften des Plasmas zu erforschen.

 

Ebenfalls wird die Möglichkeit untersucht, mithilfe des Laserstrahls Ionen zu beschleunigen und sie dann in feststehende konventionelle Beschleunigerstrukturen zu überführen. Die Kombination aus Laser und Ionenbeschleuniger ist in dieser Form einmalig und erlaubt es, besonders kurze Ionenpulse mit hohen Teilchenzahlen zu erzeugen.

 

Für die Zukunft, insbesondere für die Nutzung an der Beschleunigeranlage FAIR, sind weitere Verbesserungen angedacht: Langfristig streben die Forscher bei der Ionenbeschleunigung mit dem Laser verschiedene Ionensorten, höhere Energien und höhere Intensitäten an. Auch eine Erhöhung der Wiederholrate des Lasers ist geplant.

 

 




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