Contact

Porträt Dr. Bussmann, Michael; FWKT

Dr. Michael Bussmann
Junior Group Leader Computational Radiation Physics
Laser Particle Acceleration
m.bussmannAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2616
Fax: +49 351 260 - 12616

Vorschau-Bild

Eye catcher

Computergestützte Strahlenphysik

Forschungsthemen

Wir beschäftigen uns mit der Modellierung, Simulation und Visualisierung von Teilchendynamik und Strahlungsphänomenen im Umfeld der Laser-Teilchenbeschleunigung.

Ziel unserer Forschung ist es, Ideen und Modelle für neuartige kompakte Strahlungsquellen zu entwickeln, die sich die starken elektromagnetischen Felder in der Wechselwirkung von Licht mit Materie bei relativistischen Intensitäten zunutze machen.

Wir arbeiten eng mit den experimentellen Gruppen der Abteilung Laser-Teilchenbeschleunigung zusammen. Für diese entwerfen wir realistische Modelle und Simulationen, die bei der Planung wie bei der Auswertung von Experimenten an den Hochleistungslasern DRACO und PEnELOPE behilflich sein können. Die Nähe zu den Experimenten ist eine unserer größten Stärken.

Neuartige Strahlungsquellen

Unser zentrales Forschungsthema ist die Theorie lasergetriebener Strahlungsquellen. Mit Hilfe analytischer Modelle und komplexer Simulationen wollen wir die Eigenschaften dieser Quellen besser verstehen und kontrollieren helfen.

Hierzu müssen wir die Dynamik großer Vielteilchensysteme verstehen und modellieren können. Hochintensive Laserpulse können Materie ionisieren, das heißt die Atome in geladene Atomrümpfe, so genannte Ionen, und Elektronen auftrennen. Trennt man die Elektronen von den Ionen, so können starke Felder auftreten, die zur Beschleunigung genutzt werden können. Die vom Laser derart ionisierte Materie nennt man oft ein Plasma.

Bei der Modellierung solcher Plasmen ist es wichtig, die sehr vielfältigen in Plasmen auftretenden physikalischen Prozesse zu verstehen und zu berücksichtigen. Hierzu gehören zum Beispiel die Ionisation von Atomen durch den Laserpuls sowie durch Stöße mit anderen Teilchen, Abstrahlungsprozesse oder Teilchen-Teilchen-Stöße.

Diese Prozesse könne auf sehr unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen ablaufen. Dies stellt eine Herausforderung sowohl für die Simulation als auch die theoretische Behandlung dieser Prozesse dar.

Aktuell beschäftigen wir uns mit der Dynamik der

Komplexe, großskalige Simulationen

Für eine realistische Simulationen der Wechselwirkung von Materie mit Hochleistungslaserpulsen ist es nötig, die Bewegung von mehreren Millionen bis zu einer Milliarde geladener Teilchen in zeitlich und räumlich stark variierenden elektromagnetischen Feldern zu berechnen. Hierfür ist es unumgänglich, Rechner mit mehreren hundert bis tausend Prozessoren zu nutzen. Hierzu entwickeln wir neue Verfahren für die parallele Berechnung, um die Wartezeit auf das Ende einer Simulation zu verringern. Eines unserer Projekte ist PIConGPU, die Portierung des Particle-in-Cell Algorithmus auf GPU-Cluster.

Neben unseren physikalischen Fragestellungen beschäftigen wir uns daher auch mit informationstechnischen Themen wie

Beschleunigerphysik im Umfeld der Laserphysik

Neben neuartigen Beschleunigungsszenarien beschäftigen wir uns auch mit Themen der klassischen Beschleunigerphysik. Zum Beispiel ist für viele Anwendungen lasergetriebener Teilchenstrahlen notwendig, diese nach ihrer Erzeugung mit Hilfe von Magneten zu transportieren oder zu fokussieren.

Derzeitig arbeiten wir auf folgenden Gebieten der Beschleunigerphysik:


Projekte

Pizza-Top Kegeltarget

Laser-Ionenbeschleunigung

In der Laser-Ionenbeschleunigung untersuchen wir die Wechselwirkung des Laserpulses mit neuartigen Targetstrukturen. Durch eine geeignete Wahl von Materialien, Targetformen und Art der Wechselwirkung kann man die Eigenschaften der Ionenstrahlen wie Maximalenergie und Spektrum kontrollieren. Eine deartige Kontrolle ist für eine spätere Anwendung dieser Strahlen, wie zum Beispiel in der Tumortherapie, von großem Nutzen.

Da man Ionen derzeit nicht direkt mit dem Laserfeld beschleunigen kann, muss man die Elektronen im Target mit Hilfe des Lasers beschleunigen. Die so erzeugte Ladungsverschiebung erzeugt starke elektrische Felder, die dann zur Beschleunigung der Ionen genutzt werden können.

ILLUMINATION-Simulation Bubble-Beschleunigung von Elektronen

Laser-Elektronenbeschleunigung

Bei der Laser-Elektronenbeschleunigung wird ein hochintensiver Laserpuls durch ein Gas geschickt. Hierdurch werden die Elektronen der Gasatome beschleunigt und es enstehen aufgrund lokaler Dichteänderungen der Elektronen Wellen im Gas.

Unter geeigneten Bedingungen können sich diese Wellen, die oft nur wenige Mikrometer Wellenlänge haben, über Zentimeter hinweg stabil ausbreiten. Injiziert man Elektronen in diese Wellen, so kann man die Elektronen auf sehr hohe Energien beschleunigen. Wir untersuchen unter anderem, ob dieser Mechanismus auch zur wiederholten Beschleunigung von Elektronen genutzt werden kann.

 
Thomson-Streuung spektrale Winkelverteilung der Intensität

Lasergetriebene Röntgenquellen

Leistungsfähige Röntgenquellen mit schmaler Bandbreite sind ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der Eigenschaften der Materie. Am HZDR werden Experimente zur Thomson-Streuung von hochintensiven Laserpulsen an relativistischen Elektronenstrahlen durchgeführt.

Unsere Gruppe beschäftigt sich mit der Frage, wie diese Wechselwirkung optimiert werden kann und ob damit laser-ähnliche Röntgenpulse erzeugt werden können. Hierzu nutzen wir analytische Modelle ebenso wie Simulationen.

Dreidimensionale Visualisierung der Laser-Wakefield-Beschleunigung von Elektronen

Parallele Simulationstechniken und Visualisierung

Ein zentrales Mittel, das wir in unserer Forschung einsetzen, sind hochparallele Simulationen. Unser Ziel ist es, sowohl die physikalischen Modelle die unseren Simulationen zugrundeliegen ständig zu erweitern und zu verbessern, als auch modernste Rechentechnik hierfür optimal zu nutzen.

Hierfür nutzen wir neuartige Programmiertechniken wie zum Beispiel Domain Specific Embedded Languages und Metaprogramming. Für unsere Simulationen verwenden wir moderne Hochleistungsrechner ebenso wie GPUs. Für mehr Details hierzu besuchen Sie bitte unser Projekt PIConGPU, einer leistungsfähigen Implementation des Particle-in-Cell-Algorithmus auf GPU-Clustern.

Um unsere Daten besser zu verstehen, experimentieren wir mit neuen Analysetechniken wie zum Beispiel der gestengesteuerten Datenanalyse.

Metallischer Wasserstoff in Jupiters Kern

Warme dichte Materie im Nichtgleichgewicht

Forschung zu Eigenschaften von Materie, wie sie im Inneren von Planeten oder Sternen vorkommt, erzeugt durch Kurz- oder Langpulslaser, durch Röntgenstrahlen, Ionen oder Elektronenstrahlen, in Diamantstempelzellen oder für die Inertialfusion.

Schottky Spektrum eines lasergekühlten Ionenstrahls

Laserkühlung von Ionenstrahlen

An zukünftigen Beschleunigeranlagen wie FAIR in Darmstadt wird es notwendig sein, hochrelativistische Ionenstrahlen zu kühlen, um Präzisionsexperimente durchführen zu können.

Ein neuartiges, vielversprechendes Verfahren hierfür ist die Laserkühlung. Dieses Verfahren wird heute vor allem in Ionenfallen eingesetzt, zum Beispiel im Bereich Quantencomputing.

Wir wollen dieses Verfahren nutzen, um ultrakalte Ionenstrahlen in Speicherringen zu erzeugen.

RCF Solenoid Magnet

Kompakte Strahlführungssysteme

Lasergetriebene Strahlungsquellen sind meist deutlich kleiner als herkömmliche Beschleuniger. Um ihre Eigenschaften jedoch voll nutzen zu können, muss man sie oft mit herkömmlichen Strahlführungssystemen koppeln.

Wir beschäftigen uns mit neuen Ansätzen, wie diese Systeme kleiner und leistungsfähiger gemacht werden können. Dies ermöglicht die Schaffung kompakter Gesamtsysteme aus lasergetriebener Strahlungsquelle und Strahlführungssystem.

Derzeit beschäftigen wir uns mit dem Einsatz von Permanentmagnetlinsen sowie gepulster Strahloptik.