Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Durchbruch in Laser-Plasma-Physik: Energieverteilung bei Teilchenbeschleuniger stark reduziert

01.02.2006


Geladene Teilchen, etwa Ionen und Elektronen, werden in einem Teilchenbeschleuniger mittels elektrischer Felder auf hohe Geschwindigkeit gebracht. Diese Geräte werden in verschiedenen Bereichen der Grundlagenforschung, etwa in der Materialwissenschaft, genutzt. Daneben kommt Teilchenbeschleunigern aber auch in der Medizin, vornehmlich in der Strahlenmedizin, steigende Bedeutung in Diagnostik und Therapie zu. Ein neuer Ansatz kommt aus der Laser-Plasma-Physik. Dabei werden hochintensive Laserimpulse eingesetzt, um Elektronen zu beschleunigen, was wiederum Ionen in hohe Geschwindigkeit versetzt. Diese Geräte sind herkömmlichen Teilchenbeschleunigern in einigen Punkten überlegen. Limitierend war nur, dass Ionen mit breitest möglicher Energieverteilung - von 0 bis zur Maximalenergie - erzeugt wurden. Einem Team aus deutschen und amerikanischen Forschern, zu dem auch Jörg Schreiber, Doktorand am Institut für Kernphysik von Professor Dr. Dieter Habs an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching gehört, gelang jetzt ein Durchbruch. Die Wissenschaftler konnten, wie in der aktuellen Ausgabe von "Nature" berichtet, Ionen mit stark reduzierter Energieverteilung erzeugen.



Bei ihren Experimenten fokussieren die Forscher die leistungsstärksten und intensivsten Laserimpulse, die derzeit erzeugt werden können, auf dünne Folien. Elektronen werden durch den Lichtdruck nach vorne gedrückt und treten auf der Rückseite wieder aus, wo hohe elektrostatische Felder entstehen. In diesen Feldern werden Ionen beschleunigt, die auf der Rückseite der Folie sitzen. Die Ionen werden also nicht direkt durch den Laserstrahl beschleunigt, sondern durch die Elektronen, die durch die Laserenergie in einen Plasmazustand versetzt werden. Mit Hilfe eines speziellen Gerätes können dann die verschiedenen Ionen aufgetrennt und die jeweils zugehörige Energieverteilung bestimmt werden. Am Ende landen die Ionen, je nach Ladung, Masse und Energie, in verschiedenen Bereichen so genannter CR39-Platten. Werden diese Plastikplatten anschließend mit Natronlauge (NaOH) behandelt, werden die Aufschlagpunkte der Ionen als winzige Krater sichtbar und können gezählt werden. Das erfolgt mit Hilfe eines automatischen Mikroskops, das jedes einzelne beobachtete Ion verfolgen kann und so eine genaue Analyse der Energieverteilungen zwischen den unterschiedlichen Ionensorten ermöglicht.



Schreibers Beitrag lag vor allem darin, einen wesentlichen Teil dieser Datenauswertung vorzunehmen, was zu der Zeit von den amerikanischen Kollegen nicht geleistet werden konnte. Dafür nötig war ein automatisiertes Scanningmikroskop mit einer hochentwickelten Mustererkennungssoftware. Diese erlaubt, innerhalb von zwölf Stunden etwa eine Million Ionenspuren auf den CR39-Platten zu vermessen und die Daten zu katalogisieren. Per Hand würde bei 30 Sekunden pro Spur für die Datenaufnahme und Speicherung die Arbeit etwa ein Jahr ohne Pause in Anspruch nehmen - für eine einzige Detektorplatte. Während eines typischen Experiments, das etwa drei Wochen dauert, werden rund 100 Platten belichtet. Dr. Manuel Hegelich, beschäftigt am Los Alamos National Laboratory und Erstautor der Studie, war bis Ende 2003 als Doktorand und später auch als Postdoktorand am Institut für Kernphysik der LMU bei Professor Dr. Dieter Habs tätig. Über ihn konnte die Kooperation zwischen den deutschen und amerikanischen Forschern vermittelt werden. Mittlerweile befindet sich in Los Alamos ein identisches automatisches Analysesystem. Wegen der Datenfülle, die bei Experimenten anfällt, sollen aber auch in Zukunft beide Systeme zur Auswertung der gemeinsamen Versuche genutzt werden.

In vorangegangenen Experimenten wurde bereits gezeigt, dass Laser-Plasma-Geräte dichtere Ionenpulse als konventionelle Teilchenbeschleuniger erzeugen können. Problematisch war nur die maximal weite Energieverteilung, die einen breiten Einsatz der Geräte unmöglich machte. Dank der nun gezeigten stark reduzierten Energieverteilung könnte sich das ändern. "In unseren nächsten Experimenten werden wir uns ganz grundsätzlich mit der weiteren Erforschung der lasererzeugten Ionenstrahlen beschäftigen", berichtet Schreiber. "Bisher haben wir ja nur demonstriert, dass diese Art der Ionen mit einem Laser erzeugt werden kann. Dies gilt es nun zu optimieren und besser zu verstehen. Denn die Bedeutung dieser Ionen liegt ja darin, dass nur durch sie bestimmte Anwendungen in greifbare Nähe rücken. Das betrifft zum einen die Grundlagenforschung. Eines unserer großen Ziele ist aber auch, eine bereits entwickelte und an sich marktreife Ionen-Krebstherapie mit Hilfe der lasergenerierten Ionenstrahlen zu verwirklichen. Davon sind wir zwar noch weit entfernt, aber die nächste Generation der so genannten Petawatt-Laser sollte in der Lage sein, in den relevanten Ionen-Energie-Bereich vorzustoßen." (suwe)

Publikation:
"Laser acceleration of quasi-monoenergetic MeV ion beams", Hegelich B.M., Albright B.J., Cobble J., Flippo K., Letzring S., Paffett M., Ruhl H., Schreiber J., Schulze R.K., Fernandez J.C., Nature, Bd. 439, S. 441-444, 2006

Ansprechpartner:
Jörg Schreiber
Institut für Kernphysik (Prof. Dr. Dieter Habs) der LMU in München und
Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching
Tel.: 089-32905-124
E-Mail: joerg.schreiber@mpq.mpg.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/
http://www.mpq.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Im Focus: Quantensensoren entschlüsseln magnetische Ordnung in neuartigem Halbleitermaterial

Physiker konnte erstmals eine spiralförmige magnetische Ordnung in einem multiferroischen Material abbilden. Diese gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Datenspeicher. Der Nachweis gelang den Forschern mit selbst entwickelten Quantensensoren, die elektromagnetische Felder im Nanometerbereich analysieren können und an der Universität Basel entwickelt wurden. Die Ergebnisse von Wissenschaftlern des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel sowie der Universität Montpellier und Forschern der Universität Paris-Saclay wurden in der Zeitschrift «Nature» veröffentlicht.

Multiferroika sind Materialien, die gleichzeitig auf elektrische wie auch auf magnetische Felder reagieren. Die beiden Eigenschaften kommen für gewöhnlich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungen

Biowissenschaftler tauschen neue Erkenntnisse über molekulare Gen-Schalter aus

19.09.2017 | Veranstaltungen

Zwei Grad wärmer – und dann?

19.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Zentraler Schalter der Immunabwehr gefunden

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Materialchemie für Hochleistungsbatterien

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie