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Geförderte Projekte 2019-2021



  • 05P18KHFAA: Entwicklung eines Kalibrierungsinstruments für hochintensive Laserlichtquellen, Humboldt-Universität zu Berlin

    Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung von in situ Kalibrierungsvorschriften für hochintensive Laserlichtquellen, insbesondere für den Hochleistungslaser PHELIX an der GSI, der für Experimente der FAIR Phase-0 (sowohl im Kontext von SPARC als auch von HED@FAIR) Anwendung findet. Hierfür sollen die einzigartigen Möglichkeiten von HITRAP genutzt werden, da hier eine enorme Bandbreite an hochgeladenen Ionen gespeichert und hochintensiven Laserlichtquellen ausgesetzt werden kann (HILITE). Mit Hilfe von wasserstoffartigen Einelektronenionen mit variabler Kernladung soll die Pulscharakterisierung, insbesondere die Bestimmung der Intensitätsverteilung, einmal über die Ionisationsausbeuten erfolgen, zum anderen soll hierfür die Beschleunigung der Ionen durch den sich aus der Fokussierung ergebenden Intensitätsgradienten genutzt werden. Die Konsistenz der Ergebnisse soll vor allem über Skalierungsregeln geprüft werden, die sich für Kernladung, Feldstärke und Pulsdauer ergeben. Auf diese Weise soll HITRAP um die Zusatzfunktion eines Laserkalibrierungsinstrumentes erweitert werden und eine genauere Pulscharakterisierung von PHELIX erfolgen. Experimentell gefundene Abweichungen von den Vorhersagen würden ihrerseits ein Indiz für neuartige Phänomene der Licht-Materie-Wechselwirkung bei diesen extremen Intensitäten sein.


  • 05P18WMFA1: I-BEAT, Ultraschall-basiere Energiemessung einzelner Ionenpakete, Ludwig-Maximilians-Universität München

  • 05P19PMFA1: Entwicklung eine Fluoreszenzdetektors für das Laserkühlen am SIS 100 sowie Experimente mit Detektions- und Präzisions-HV-Systemen in FAIR-phase-0, Westfälische Wilhelms-Universität Münster
  • 05P19RDFAA: Entwicklung und Anwendung lasergestützter Techniken für SPARC, Technische Universität Darmstadt

    Die „Facility for Antiproton and Ion Research“ (FAIR), die in den kommenden Jahren am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entstehen wird, bietet für laserspektroskopische Experimente an hochgeladenen schweren Ionen und relativistischen Ionenstrahlen ein breites Spektrum an hochaktuellen Forschungsmöglichkeiten. Diese reichen von Tests fundamentaler Wechselwirkungen (Starkfeld-QED gebundener Zustände) und Symmetrien (Lorentzinvarianz), über die Extraktion kernphysikalischer Grundzustandseigenschaften aus der Spektroskopie von Wenigelektronensystemen (präzise spektroskopische Quadrupolmomente aus der Laserspektroskopie an D2-Übergängen in Li-artigen Ionen und magnetische Momente ohne diamagnetische Korrekturen aus D1-Übergängen in Li-artigen Ionen), dem Verständnis der Korrelationen von Mehrelektronensystemen in starken Feldern (z.B. Spektroskopie an berylliumähnlichen Ionen) bis hin zur Anwendung der Laserspektroskopie zum Kühlen und zur Präparation von Ionenstrahlen. Dafür stehen Ionen mit kinetischen Energien von meV bis hin zu einigen GeV/u an den verschiedenen Speicherringen und Fallen zur Verfügung. Im Rahmen der BMBF Verbundforschung sind wir in enger Kooperation mit unseren Verbundpartnern in Dresden, Jena und Münster dabei, neue Techniken im Bereich der Erzeugung der Laserstrahlung, des Nachweises von Fluoreszenzphotonen und eventuell alternativer teilchensensitiver Nachweismethoden zu entwickeln, die an die Gegebenheiten an den neuen Speicherringen optimal angepasst sind und das sich eröffnende wissenschaftliche Potential an diesen Speicherringen optimal nutzen. Neben den eigenen wissenschaftlichen Zielen und Experimenten ist uns auch die Präparation der Ionen für und mit der Laserspektroskopie ein wichtiges Anliegen. Lasergekühlte brillante Ionenstrahlen werden ebenso neue Möglichkeiten für Experimente eröffnen wie die Präparation polarisierter Ionenstrahlen durch optisches Pumpen.


  • 05P19RDFA1: Entwicklung und Aufbau des Targets für HED, Technische Universität Darmstadt

    Ziel des Vorhabens ist die Planung, die Konstruktion und das Testen eines Probenmanipulationssystems, das in der Lage ist in rascher Folge, zuverlässig und mit hoher Genauigkeit Proben aus einem Reservoir zu entnehmen, in die Targetkammer zu bringen, dort relativ zum Ionenstrahl und zu dem Laserdiagnosestrahl auszurichten und nach dem Experiment die Reste der Probe sicher wieder in das Reservoir zu überführen. Weiterhin sollen Verfahren untersucht werden um Diagnoseeinrichtungen (z.B. nukleare Aktivierung, Film oder Kernspurbasierte Detektoren) an dem Experiment zuverlässig zu positionieren und nach dem Experiment aus der Targetkammer zu entfernen, um sie einer weiteren Auswertung zugänglich zu machen. GSI/FAIR haben beschlossen den Messplatz HHT in Vorbereitung auf die Experimente für FAIR APPA zu modernisieren um wichtige Experiment der FAIR Phase-0 durchführen zu können. Das System wird kompatibel mit der neuen Kammer an HHT entwickelt und soll dort getestet sowie für Experimente eingesetzt werden.


  • 05P19RFFA1: Vorbeitung und Durchführung von APPA-Experimenten in der FAIR-Phase-0, Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main

    Das internationale Forschungsprojekt FAIR wird während der Förderperiode 2019-2021 mit ersten Experimenten im Bereich Materie unter extremsten Bedingung beginnen können.  Im Rahmen der Verbundforschung haben sich die Technische Universität Darmstadt (TUD), Friedrich Schiller Universität Jena (FSU), Ludwigs Maximilian Universität München (LMU), die TU München und die Goethe Universität Frankfurt (GU) in Anbindung mit der GSI zusammengeschlossen, um gemeinsam die experimentellen Voraussetzungen für derartige Experimente zu schaffen. Die Targetarea ist hierbei der zentrale Punkt in dem Aufbau der Experimente der HED@FAIR-Kollaboration. Für die Targetkammer sollen sowohl der Anschluss an das Beschleunigersystem als auch die Verwendung alternativer Targets gewährleistet sein, wodurch die Integration des Targetpositionier- und Wechselsystems, die Integration des Hochenergielasers und der Debrisschutz erfüllt sind. Ebenso wird beabsichtigt, während der FAIR Phase-0 warme dichte Materie (WDM) durch explodierende Drähte zu erzeugen und als dynamisches Target mit dem Protonenmikroskop PRIOR zu untersuchen. Ein weiteres Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung neuartiger Röntgendiagnostiken, um diese extremen Materiezustände zu charakterisieren


  • 05P19RFFA2: Reaktionsstudien mit Ionenspeicherringen, Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main

    In zwei kernphysikalischen Teilprojekten geht es um einen notwendigen Ausbau des erfolgreichen Experimentalprogramms zum Verständnis der Entstehung der schweren Elemente. Dabei sollen existierende Schwachstellen behoben werden, um astrophysikalisch-motivierte Experimente im gesamten Massebereich bei allen relevanten stellaren Energien zu ermöglichen. Konkret geht es im ersten Teilprojekt um eine Akzeptanzerweiterung der wichtigen Strahlführungssektion nach dem ersten Dipolmagnet am CRYRING. Um alle Massebereiche experimentell abdecken zu können, muss diese Sektion komplett ausgebaut und mit Detektorzugängen zum Hochvakuum des CRYRINGs bestückt werden. Für höhere Energien wird der existierende Ionenspeicherring ESR an der GSI eingesetzt. Zur Verbesserung des Signal-zu-Untergrundverhältnisses soll im zweiten Teilprojekt die Infrastruktur für die Extraktion der gewollten Reaktionsprodukte aus dem Ring in den Transferkanal ESR-CRYRING aufgebaut werden.


  • 05P19RGFA1: Elektron-Ion Stoßspektroskopie an den Ionenspeicherringen bei FAIR, Justus-Liebig-Universität Gießen

    Im Rahmen des Forschungsverbunds APPA R&D soll u.a. die Infrastruktur für Experimente zu atomaren Elektron-Ion-Stößen an den FAIR Speicherringen ESR, CRYRING und HESR aufgebaut werden. Im vorliegenden Projekt wird der Aufbau von Experimentiereinrichtungen zur Elektronenstoß-Spektroskopie am CRYRING vorangetrieben und im Rahmen der FAIR Phase-0 für Präzisionsexperimente genutzt. Elektron-Ion-Stöße sind ein wichtiges und etabliertes Werkzeug für Präzisionsspektroskopie mit einem extrem breiten Anwendungsspektrum. Der CRYING in Verbindung mit den hochgeladenen Ionen aus dem FAIR Injektor SIS und dem Speicherring ESR bietet weltweit einmalige Bedingungen für solche Experimente. Im Rahmen des Projekts sollen erste Experimente am CRYRING-Kühler durchgeführt werden sowie ein transversales Elektronentarget für Elektron-Ion-Stoßexperimente an den FAIR-Speicherringen zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin umfasst dieses Projekt die Koordination des Forschungsverbunds APPA R&D der deutschen Universitätsgruppen, die sich unter dem Dach der FAIR-Forschungssäule APPA im Rahmen der internationalen Forschungskollaborationen SPARC (Atomphysik), HED@FAIR (Plasmaphysik) und BIOMAT (Biophysik und Materialforschung) für die Forschung an der internationalen Beschleunigeranlage FAIR engagieren.


  • 05P19RKFA1: Entwicklung eines hochauflösenden Seya-Namioka-Fluoreszenzspektrometers für Experimente an Speicherringen für hochgeladene Ionen, Universität Kassel
  • 05P19SJFAA: Anwendung neuer photonischer Methoden zur Präzisionsspektroskopie an gespeicherten, hochgeladenen Ionen, Friedrich-Schiller-Universität Jena

    Zentrales Ziel des Vorhabens ist es, unser Wissen über die Physik extrem starker bzw. kritischer elektromagnetischer Felder wesentlich zu steigern, wie sie nur in Experimenten mit schwersten, hochgeladenen Ein- und Wenig-Elektronensystemen zugänglich sind (Z~92). Ein-, Zwei- aber auch Drei- und Vier-Elektronensysteme spielen hierbei eine wesentliche Rolle, da letztlich nur der Vergleich von unterschiedlichen elektronischen Systemen die Forschung in die Lage versetzt, die unterschiedlichen Starkfeld-Effekte der Quantenelektrodynamik, Elektronenkorrelation, Kerneffekte aber auch spezifische relativistische Beiträge zu entflechten. Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Projektantrags sollen dazu zum einen konkrete Experimente an den Speicherringen der GSI/FAIR erfolgen, und zum anderen soll die Methoden- und Instrumententwicklung gezielt voran getrieben werden, um das Potential der FAIR-Anlage zur Erforschung der Physik extremer elektromagnetischer Felder zukünftig vollumfänglich erschließen zu können.


  • 05P19SJFA1: Entwicklung von spektroskopischen Methoden für 'Day-1' Plasmaphysik-Experimente an FAIR, Friedrich-Schiller-Universität Jena

    Die internationale Großforschungseinrichtung FAIR wird Experimente mit relativistischen Schwerionenstrahlen bei bisher unerreichten Intensitäten ermöglichen. Diese intensiven Schwerionenstrahlen erlauben einen vollkommen neuartigen experimentellen Zugang zur Erzeugung solcher Materiezustände im Labor. Unter dem Dach der APPA-Kollaboration hat die Plasmaphysik-Kollaboration HED@FAIR ein umfangreiches Experimentprogramm auf dem Gebiet dichter Plasmen erarbeitet, um diese Möglichkeiten zu nutzen. Dazu wird am Strahlplatz der APPA-Kollaborationen (dem sogenannten APPA-Cave) eine Experimentiereinrichtung aufgebaut, mit der Festkörpertargets mit den intensiven Ionenpulsen. Die Ausstattung dieser Experimentiereinrichtung mit der nötigen Experiment-Infrastruktur (Targetkammer, Diagnostik-Instrumentierung, Lasersystem) wird in den kommenden Jahren mit höchster Priorität vorangetrieben werden, so dass mit Inbetriebnahme der FAIR-Anlage die ersten Experimente anlaufen können. Das hier beschriebene Vorhaben ist Teil dieser Aktivitäten, und eingebettet in die Verbundforschung wird so ein wohlkoordinierter, mit allen Beteiligten abgestimmter Beitrag zum FAIR-Projekt geleistet. Zu den in diesem Vorhaben finanzierten Investitionen gehören Teile einer Vakuumkammer sowie Teile eines Lasers zur Diagnostik der erzeugten Plasmen. Aber bereits vor Inbetriebnahme der FAIR-Beschleuniger und des APPA-Caves (FAIR Phase-1) sind vorbereitende Experimente möglich und sollen im Rahmen dieses Projektes durchgeführt werden. Dazu zählen die Entwicklung von röntgenspektroskopischen Methoden zur Charakterisierung des Ionenstrahls sowie Untersuchungen zur Fokussierung von Ionenstrahlen mit einer Plasmalinse.


  • 05P19VHFA1: Fluss-Rampen-SQUID-Multiplexing für Kilo-Pixel Mikrokalorimeter-Arrays, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

    In diesem Projekt wird ein weltweit neuartiges, effizientes Multiplexverfahren entwickelt, das die Signale von jeweils 8 bis 32 Mikrokalorimetern für die hochauflösende Röntgenspektroskopie in einem einzigen Auslesekanal bündelt. Dies erlaubt es, die Größe der im Vorgängerprojekt 05P15VHFAA für FAIR entwickelten, erfolgreichen Mikrokalorimeter-Arrays vom Typ maXs mit ihrer weltweit führenden Energieauflösung, ihrer exzellenten Linearität und schnellen intrinsischen Signalanstiegszeit, entsprechend dieses Multiplex-Faktors nochmals um ein bis zwei Größenordnungen zu steigern. Die so erzielbaren Detektionsflächen decken das Größenspektrum konventioneller Germaniumdetektoren dann komplett ab - und das bei bis zu hundertfach besserer Energieauflösung. Diese weltweit einzigartige Kombination aus Energieakzeptanzbereich, Energieauflösung und aktiver Fläche erlaubt es, Strahlzeit in Experimenten an Speicherringen und modernen Lichtquellen um Größenordnungen effizienter zu nutzen. Viele der am Elektronenkühler des CRYRING geplanten Experimente zur Präzisionsröntgenspektroskopie werden hierdurch überhaupt erst ermöglicht.

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