Benutzer:Commander-pirx/Entwurf PHELIX

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TESTseite PHELIX

Datei:PHELIX Stand-und-Zukunft.jpg

Einordnung des PHELIX Laser in die GSI, Gegenwart und Planung

Weltweiter Vergleich von PHELIX mit anderen Hochenergie-Lasersystemen

Aufbau des PHELIX Hauptverstärkers im Reinraum, 2 Laserdisks je Verstärker

Näher dran: Blick in den PHELIX Hauptverstärker, links und rechts sind die Blitzlampen zum Pumpem der Laserdisks zu sehen

Eigenschaften des Laserstrahles:
1. Nahfeld mit Füll Faktor und Energiedichte,
2. Fernfeld,
3. Pulsdauer und spektrale Breite

Ansicht der Petawatt Kammer (Rückkomprimierung des Laserstrahls) mit Röntgenlaser-Experiment

Schematische Innenansicht der Petawatt Kammer mit Strahlverlauf und Minibildern von Konstruktion und Bau

Targetkammer des Z6 Experimentierplatzes für Ionen- und Laserstrahlexperimente. Von links oben kommt der fokussierende Laserstrahl; aus dem Bild der Ionenstrahl.

PHELIX ist ein Hochleistungs- und Hochenergie- Laser für Grundlagenforschung im Bereich der Hochenergiephysik am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Das Akronym steht für “Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion Experiments” (deutsch: Petawatt Hochenergie Laser für Schwerionen Experimente) ab. Mit der Anlage sollen fundamentale Prozesse in der Plasma-, Astro- und Atomphysik erforscht werden.

Es ist derzeit (Stand 2009) Deutschlands größtes Lasersystem im Pulsbetrieb. Die Besonderheit dieses Lasersystems ist, dass es sich mit den an der GSI bestehenden Schwerionen-Teilchenbeschleunigern kombinieren lässt.

Geschichte

Begann 1995 mit Vorstudien über Kernfusion durch die Kombination von Laser und Schwerionen bis hin zur Projektstudie des Lasersystems von 1998 und der Genehmigung zum Aufbau im selben Jahr. In Kooperation mit dem französischen CEA kam es zur Lieferung von ersten Geräten vom stillgelegten PHEBUS Laser in Frankreich (französisches Pendant von Nova) schon 1999 und 2000. Die Projekt- und Bauphase von Hauptgebäude und Versorgungstechnik war von 1998 bis 2000 (Einweihung zur 30 Jahr Feier der GSI). Mit der Inbetriebnahme des fs-Frontendsystems schon 2001 durch eigene Mitarbeiter und Physiker von General Atomics war ein schneller Weg beschritten.
Der Aufbau der Hauptverstärkerkette, der Hauptkomponenten und der Strahlführung zum ersten Experimentierplatz am Z6 gestaltete sich wesentlich schwieriger. Zum einen da der Vertrag zwischen dem DOE der USA und dem BMBF über die Zusammenarbeit im Bereich Physik dichter Plasmen erst 2002 zustande kam (Komponenten an der GSI 2003). Zum anderen dadurch, dass viele Komponenten neu oder nach intensiver Renovierung neu aufgebaut werden mußten.
Hohe Anforderungen an Strahlqualität und -stabilisierung forderten das machbare technologische Limit (große Optiken, insbesondere Spiegel, deren Beschichtung und interferometrische Kontrolle) heraus. Hinzu kam ein Lernprozeß für Optiken und Reinräume. Die Anforderungen im Strahlbereich müssen besser als Reinraumklasse ISO-5 sein, um Zerstörungen der Optik zu vermeiden. Dies, der komplette Neuaufbau einer Diagnostik sowie der Umbau der Strahlführung zwischen Lasergebäude und Experimentierplatz führten zu einer Verzögerung der Inbetriebnahme des Gesamtsystems. Erste Experimente mit Teilsystemen des Laser fanden bereits ab 2004 statt.

Aufbau und Technik

Der Aufbau entstand in enger wissenschaftlicher und materieller Zusammenarbeit mit dem französischen Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) und dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) der USA. Von beiden Forschungseinrichtungen stammen Komponenten des Nova-Lasersystems, die zum Aufbau des Hauptverstärkers, des Hochspannungsladesystems und der Diagnostik benutzt wurden.

PHELIX ist eine Kombination von hintereinandergeschalteten Lasern zur Erzeugung hoher Energie und Leistung. Beim Hauptsystem handelt sich um einen durch Blitzlampen gepulsten Nd:glass-Festkörperlaser, der für eine derzeitige Energie von 0,5-1 Kilojoule und einer Leistung von 0,5 Petawatt ausgelegt ist. In der Endstufe waren 5 kJ und 1 PW vorgesehen, können aber aus Kostengründen derzeit nicht realisiert werden.

Zwei Frontend-Systeme erzeugen Laserstrahlen mit Nanosekunden (1-10ns) oder Femtosekunden (~500fs) Pulsdauer (Ultrakurzpulslaser). Ein Vorverstärkersystem verstärkt die Pulse über Stablaser bis in den Joule-Energiebereich. Abbildungsfehler des Laserstrahles werden mit Hilfe adaptiver Optik und Raumfilter korrigiert. Das Hauptsystem des Laser, das sogenannte DPA (Double Pass Amplifier) oder MA (Main Amplifier) Verstärkersystem, erzeugt dann mit Hilfe von Scheibenlasern in doppeltem Durchgang (Strahl wird in sich selbst reflektiert) den Hochenergie-Laserpuls.

Bei zu hoher Energie pro Flächeneinheit und Pulslänge führen technische Limits (z.B. LDT von optischen Beschichtungen) oder nichtlineare optische Effekte zur Zerstörung der optischen Elemente. Der (fs-)-Laserpuls der hochenergetischen Laser muß deshalb vor der Verstärkung entweder räumlich aufgeweitet oder der zeitlich dekomprimiert werden. PHELIX macht beides. Die zeitliche Aufweitung des Strahles geschieht über das Chirped Pulse Amplification Verfahren. Während für die dafür erforderliche Pulsaufweitung mit kleinen Optiken gearbeitet wird (Größenordnung wenige Zentimeter), ist für die Rückkomprimierung ein großer Petawatt Kompressor (vgl. PW-Kammer-Schema.jpg Bild) notwendig. Dabei wird über mehrere dielektrisch beschichtete (MLD - multilayer dielectric grating) optische Reflexions-Gitter (mit Gitterkonstanten von typischerweise 1600-1800 Linien pro mm) der Laserpuls wieder auf Femtosekunden komprimiert. Die Größe der Kammer (2m* 6m) ist durch die vorher erfolgte räumliche Aufweitung über Teleskope auf hier schon typische Strahl-Durchmesser von etwa 250 mm gegeben.

Das Lasersystem hat ein eigenes Gebäude. Von dort wird der Laserstrahl über ein 80m langes Strahlrohrsystem zum eigentlichen Bestimmungsort, dem Experiment, reflektiert. Mit Hilfe einer Parabolspiegel wird der Laserstrahl auf das Target fokussiert und erreicht so im Fokus (Durchmesser hier typischerweise ~5-30 µm) Intensitäten von 10²¹W/cm². Damit kann Plasma erzeugt werden, wie es sich in der Sonne, in Gasriesen oder Neutronensternen befindet.

Abhängig von Energie und Leistung kann ein Laserschuß alle 20 Minuten oder nur alle 2 Stunden abgegeben werden. Der Laser muß dabei in alle Subsystemen, mit dem GSI Beschleuniger UNILAC und der Diagnostik der Experimente zeitlich über ein Triggersystem abgestimmt werden.

Der Laser zählt zur Klasse der Hochenergie-Petawattlaser (HEPW), von denen weltweit nur ein knappes Dutzend existieren oder im Aufbau sind.

Anwendung und Forschung

Der Laser nahm 2006 mit erstem Schußbetrieb seine Arbeit auf. 2007 wurde die erste Etappe mit 0,5 kJ erreicht. Seit 2008 werden erstmals Experimente am Experimentierplatz Z6 in Kombination mit dem Ionenstrahl des UNILAC Beschleunigers durchgeführt. Diese Experimente umfassen u.a. Röntgenstrahlen Streu-Experimente, Laser-induzierte Teilchenbeschleunigung , Untersuchungen zu warm dense matter -Materiezuständen oder Energieverlustexperimente an Ionen. Die Experimente profitieren von der einzigartigen Kombination von kohärenten Photonen und Ionen (geladenen Teilchen) hoher Energie und Intensität. Der PHELIX Laser kann als Heizstrahl für das Plasma oder als Diagnosestrahl (z.B. für die Spektroskopie) dienen. Auch reine Laser Experimente sind möglich und finden bereits statt (z.B. laserinduzierter Röntgenlaser ).
Ein voller Ausbau von PHELIX würde das Bearbeiten von Grundlagen für die Trägheitsfusion besonders mit Schwerionen möglich machen, was an der GSI ab 1995 in einer Studiengruppe untersucht und einer der Hauptgründe für den Bau des Laser war. Zur Zeit arbeiten die Wissenschaftler von PHELIX an Grundlagen für das internationale HiPER Projekt zur Energieerzeugung über laserinduzierte Fusion (Trägheitsfusion durch schnelle Zündung - Inertial Confinement Fusion by Fast Ignition) mit. Am neu entstehenden FAIR Projekt der GSI ist ein Upgrade auf einen neuen Hochenergie-Petawattlaser in Vorbereitung.
In Lehre und Forschung wird mit den physikalischen Fachbereichen der Universitäten der TUD Darmstadt, Universität Frankfurt am Main, der Uni Mainz und der FH Münster eng zusammengearbeitet.

Vergleich

Die Leistung eines HEPW Laserschusses von einem Petawatt enspricht etwa 65-mal der Jahresleistung des Kernkraftwerk Biblis A+B, wird aber nur für den Bruchteil einer Sekunde (einem millionstel Teil einer millionstel Sekunde) abgerufen.

Siehe auch

Partner:

• USA: National Ignition Facility am LLNL, Omega EP des Laboratory for Laser Energetics der University of Rochester, Z-pinch am Sandia Lab
• Großbritannien: Die Central Laser Facility des Rutherford Appleton Laboratory, besonders der Vulcan Laser
• Frankreich: Laser Mégajoule (LMJ) der CEA, LULI Laboratory an der Ecole Polytechnique, der PETAL (PETawatt Aquitaine Laser) als Nachfolger des LIL der CEA und als "Fore-runner" für HiPER
• international: Mitarbeit am HiPER Projekt
• Deutschland: POLARIS Laser an der Friedrich Schiller Universität Jena, Max-Planck-Institut für Quantenoptik in München

Quellen

• Fachaufsatz in der Zeitschrift Photonik zu PHELIX und HEPW-Laser
• FAIR Baseline Technical Report - 5.3 WDM - Warme Dense Matter
• J.D.Zügel, S.Borneis, C.Barty et al, "Laser Challenges for Fast Ignition", Fusion Science & Technology, VOL. 49, April 2006, S. 453-482

Weblinks / Verweise

• Offizielle Webseite des PHELIX Lasersystems an der GSI in Darmstadt
• GSI Pressemeldung zur Inbetriebnahme des Hochleistungslaser mit ersten Experimenten
• Mitarbeit am internationalen HiPER Laser Projekt
• Trägheitsfusion durch Schnelles Zünden (beides in eng.)

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