Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schnelles Gold

15.04.2015

Ein neuer Mechanismus in der Laser-Plasma-Beschleunigung wurde für Schwerionen entdeckt, der Mittels Coulomb-Explosion eine signifikante Zunahme der kinetischen Ionenenergie bewirkt.

Wir alle sind aus Sternenstaub gemacht - dieses poetische Bild enthält eine Menge an (noch) unbekannter, spannender Physik, die der Dichter vielleicht eigentlich nicht erzählen wollte. Unter den Top 10 der ungeklärten Fragen der Physik, rangiert auch die Frage nach der Entstehung der schweren Elemente - Bestandteil des Sternenstaubs.


Der Laserpuls (1.3 J @ 35f) wird auf eine 14nm dicke Goldfolie fokussiert. Das Bild zeigt die maximale Ionenenergie in Abhängigkeit ihrer Ionisationsstufe - wie sie im Experiment gemessen wurden (pinke Quadrate). Das Bild zeigt darüber hinaus die gute Übereinstimmung mit unseren 2D-PIC Simulation (schwarze Quadrate) - wie auch einen Vergleich zwischen der Voraussage des alten theoretischen Models (schwarze Linie) - und dem von uns neu entwickeltem Model (blaue Linie). Quelle: MBI

Einen tiefen Einblick in das Innere der schweren Teilchen und ihrer Synthese, kann man bisher nur erhaschen, wenn sie bei extrem hohen Geschwindigkeiten aufeinanderprallen und man die dadurch entstandenen Fragmente ihrer Atomkerne analysiert. Nicht nur die Kernphysiker haben Interesse an schnellen Schwerionen sondern sie sind auch in der Materialforschung und der Medizinforschung gefragt.

Produziert werden diese Ionenstrahlen mit Teilchenbeschleunigern, die zu den größten und komplexesten Maschinen der Welt gehören. Das motiviert natürlich auch die Suche nach neuen technischen Konzepten oder ihre Verbesserung.

Ein alternativer Weg zur konventionellen Beschleunigertechnologie ist die Teilchenbeschleunigung durch ein Laser erzeugtes Plasma. Dazu benötigt man Laserintensitäten im sogenannten relativistischen Bereich, hier beschleunigt ein intensiver Laserpuls Elektronen bis fast auf Lichtgeschwindigkeit.

Die Laser-Plasma Interaktion ist dabei durch relativistische Effekte der Elektronen-Photonen Wechselwirkung bestimmt. Ein einzelner Laserpuls erzeugt in einem räumlich sehr begrenzten Plasma enorm hohe, gerichtete Feldstärken in der Größenordnung von bis zu einigen Megavolt pro Mikrometer. In diesen Feldern können geladene Teilchen auf einer relativ kurzen Wegstrecke auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, so z.B. auch Goldionen.

Die Herausforderung bei der Schwerionenbeschleunigung ergibt sich direkt aus einem Grundprinzip: Ionen werden proportional zu ihrem Ladungs/Masse Z/A) beschleunigt, das zu höheren kinetische Energien (~MeV/u) für leichtere Elemente führt, da es schwierig ist hohe Ionisationstufen bei schweren Elementen zu erreichen.

Genau diesen Punkt konnten wir durch freistehende, ultradünne Goldfolien überwinden: Sie lieferten einen unerwarteten hohen Grad und eine spezifische Verteilung der Ionisation für das schwere Material (Z> 40 für Gold), so dass eine enorme, abstoßende Ladung wirkt und zur Beschleunigung der schweren Ionen über eine Coulomb Explosion führt.

Verglichen zu vorangegangenen Experimenten konnten wir kinetische Energien der Goldionen mit 1 MeV pro Nukleon mit einer Ordnung geringerer Laserenergie erzeugen.

Bisher übliche Laser Plasma Beschleunigungsmodelle nehmen eine gemittelte Ionisierung an, aus der eine fixierte räumlich uniforme Elektronendichte folgt. Unsere theoretischen Analysen der experimentellen Resultate (siehe Bild) zeigen eine schichtweise unterschiedliche Ionisierung der Targetfolie, wobei Atome mit der höchsten Ionisierung sich an den Rändern der Folien befinden. Dadurch wird dort eine extrem hohe Raumladung erzeugt - die abstoßend auf die stark positiv geladenen, schweren Ionen wirkt - und diese zusätzlich beschleunigt.

Extrapoliert man unsere Erkenntnisse in den Parameterbereich für ein richtiges Kollisionsexperiment mit schnellen schweren Ionen, werden Femtosekundenlaser mit Pulsenergien von 100 J benötigt.

Originalpublikation: Physical Review Letters

Vollständige Zitation:
J. Braenzel, A.A. Andreev, K. Platonov, M. Klingsporn, L. Ehrentraut, W. Sandner, M. Schnuerer, "Coulomb-Driven Energy Boost of Heavy Ions for Laser-Plasma Acceleration", Physical Review Letters 114, 124801 (2015)


Kontakt

Julia Braenzel
Dr. Matthias Schnuerer

Weitere Informationen:

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.124801

Saskia Donath | Forschungsverbund Berlin e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
22.06.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

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: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics