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entdeckt_01_2016 - Plasmablitz im Supercomputer

TITEL // DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 10 11 Die Laserbeschleunigung von Teilchen ist ein hochkomplexer Vorgang: Ein ultrakurzer Lichtblitz trifft auf Materie und erzeugt ein Plasma, das Elektronen in Sekundenbruchteilen fast auf Lichtgeschwindigkeit katapultiert und Ionen beschleunigt. Um diesen Prozess für Anwendungen wie die Tumortherapie nutz- bar zu machen, wollen ihn die Experimentalphysiker möglichst effektiv gestalten. Schützenhilfe erhalten sie von den Theo- retikern: Mithilfe der weltweit besten Superrechner simuliert HZDR-Physiker Thomas Kluge die Laserbeschleunigung im Rechner und gewinnt dadurch tiefe Einblicke in das physika- lische Geschehen. Seine Ergebnisse helfen, die Experimente besser zu verstehen und für künftige Messungen zu optimieren. „Stellen sie sich vor, man würde die gesamte auf die Erde treffende Son- nenstrahlung auf eine Bleistiftspitze bündeln“, beschreibt Thomas Kluge. „Soviel Leistung steckt in jedem unse- rer Laserpulse – allerdings nur für 30 Femtosekunden, also für 30 billiardstel Sekunden.“ Was passiert, wenn diese ultraintensiven Lichtblitze auf einen Festkörper treffen, etwa auf eine dünne Metallfolie? „Diesen Vorgang im Compu- ter zu simulieren, ist kniffelig“, ant- wortet der Theoretiker. „Denn bei den Prozessen passieren mehrere extreme Dinge gleichzeitig.“ Konkret heißt das: Trifft ein Blitz auf die Folie, erzeugt er derart hohe elektro- magnetische Felder, dass er die Atome, aus denen sie besteht, unverzüglich ionisiert: Innerhalb von Femtosekunden werden Elektronen aus der Atomhülle gefegt, zurück bleiben positiv geladene Ionen. Es entsteht ein starkes elektrisches Feld, das einige der Ionen mit enormer Wucht herauskatapultiert – ein hoch- effektiver Beschleunigungsprozess. Das Problem dabei: Bei diesen Prozessen treten Instabilitäten auf. Zum Beispiel verlassen die Elektronen die Folie meist nicht als ein homogener Strahl, sondern in vielen kleinen Strahlen. Das wiederum beeinflusst das beschleunigende Feld, das die Ionen in der Folie „sehen“: Statt gleichmäßig ist es mehr oder weniger stark deformiert. // Wie HZDR-Theoretiker Thomas Kluge die Laserbeschleunigung im Rechner simuliert. _TEXT . Frank Grotelüschen PLASMABLITZ IM SUPERCOMPUTER VERSTÄNDNIS: Der Physiker Thomas Kluge nutzt Superrechner, um die Beschleunigung von Teilchen mit Hochleistungslasern zu simulieren. Foto: Oliver Killig

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