Geförderte Projekte 2015-2018

Ziel des Vorhabens ist die Planung, der Aufbau und das Testen eines Lasersystems, das in der Lage ist, Laserpulse von bis zu 200 Joule Energie in frei wahlbarer Pulsform mit einer Repetitionsrate von einem Schuss pro Minute in die Targetkammer zu bringen und als aktive Diagnostik der ersten Experimente zu dienen. Weiterhin sollen die Eigenschaften des Systems untersucht werden, um zu klären, ob der im Rahmen dieses Projektes entwickelte Laserverstärker für das zukunftige Lasersystem an FAIR verwendet werden kann. Ein weiteres Ziel des Vorhabens ist die Planung, die Konsruktion und das Testen von Schlüsselkomponenten der Diagnose der ersten Experimente an FAIR („first day experiments") und fur ELI-NP. Hierbei liegt das Ziel des Forschungsvorhabens der TU Darmstadt auf der Entwicklung einer Teilchendiagnosik für die FAIR Protonenmikroskopie, die Untersuchung der Proben mit Ionenstrahlen und auf der Optimierung der bereits entwickelten Röntgenquellen für die Untersuchung der von FAIR erzeugten extremen Materiezustände. Der Antrag ist vernetzt mit denen unserer Partner im Verbund: Universität Frankfurt, TU München, FSU Jena und TU Dresden.

Die Spektroskopie hochgeladener Ionen in der Penningfalle SPECTRAP hat einen Test der QED in den extrem starken magnetischen Feldern des Kerns zum Ziel. Von HITRAP gelieferte Ionen werden in SPECTRAP eingefangen, sympathetisch gekühlt und können dann laserspektroskopisch untersucht werden. An Cryring soll untersucht werden, ob es möglich ist Ionen im Speicherring optisch zu pumpen und zu polarisieren. Beobachtungen am ESR mit Li⁺-Ionen deuten auf diese Möglichkeit hin. Des Weiteren soll die Möglichkeiten evaluiert werden, die dielektronische Rekombination als hochsensitive Nachweismethode für die Laserspektroskopie zu verwenden.

Im Rahmen des Forschungsverbunds APPA R&D soll u.a. die Infrastruktur für Experimente zu atomaren Elektron-Ion- und Ion-Atom-Stößen an den FAIR Speicherringen ESR/CRYRING/HESR aufgebaut werden. Im vorliegenden Projekt werden der Aufbau von Experimentiereinrichtungen zur Elektronenstroß- und Röntgenspektroskopie vorangetrieben. 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 die experimentellen Voraussetzungen am CRYRING-Kühler geschaffen werden sowie ein transversales Elektronentarget für Elektron-Ion-Stoßexperimente an den FAIR-Speicherringen zur Verfügung gestellt werden. Für die Präzisions-Röntgenspektroskopie soll ein neues Detektorkonzept für die Detektion von Röntgenstrahlung an den FAIR-Speicherringen adaptiert werden, das der "Silizium-Mikrokalorimeter". Dieses Detektorkonzept verspricht gegenüber herkömmlichen Detektoren eine Verbesserung der Energieauflösung um eine Größenordnung. Da die Einzeldetektoren jedoch nur eine Fläche von wenigen Quadratmillimetern haben, ist es für die Experimente bei FAIR notwendig, viele Detektoren zu einem Detektorarray zusammenzufassen. Im Rahmen des Projekts soll die Datenaufnahme beschafft und programmiert werden, um 96 einzelne Detektoren auszulesen.

Projektleitung: Prof. Dr. Christian Spielmann und Prof. Dr. Malte Kaluza, Institut für Optik und Quantenelektronik, Abbe Center of Photonics, Friedrich-Schiller Universität Jena

Nach Ende der Förderperiode wird die internationale Großforschungsanlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) ihren Betrieb aufnehmen. Im Rahmen der Aktivitäten des APPA Forschungsverbundes als einer der wissenschaftlichen Säulen des FAIR-Programmes wird in den nächsten Jahren intensiv die Vorbereitung und Ausstattung der Experimentierplätze vorangetrieben. Dieses Vorhaben hat zum Ziel, die für erste Plasmaphysik-Experimente im APPA-cave vorgesehene Messinfrastruktur im Bereich der Laser- und Röntgenspektroskopie zu entwickeln und aufzubauen. Dabei bezieht sich das Vorhaben auf die im FAIR Technical Design Report (TDR) „Diagnostic instrumentation for plasma physics experiments at the APPA cave“ dargelegten und als erforderlich definierten Arbeiten. Dies umfasst einerseits den Aufbau einer intensiven Laserquelle für Anwendungen in der Spektroskopie (Pump-Probe-Messungen), anderseits die Entwicklung von Spektrometern im VUV- und Röntgenbereich für den Einsatz in der APPA-Cave, unter Berücksichtigung der besonderen Bedingungen und Herausforderungen bei Experimenten mit intensiven relativistischen Ionenstrahlen. Zum Ende der Förderperiode sollen so die spektroskopischen Voraussetzungen für erste Experimente an Schwerionen-geheizten Targets in der APPA-cave geschaffen worden sein. Das Projekt ist in zwei Teilprojekte (TP) untergliedert:

• Teilprojekt 1 (Spielmann): Entwicklung von Röntgen- und VUV-Spektroskopie für "Day One" Plasmaphysik-Experimente an FAIR: Ziel des Vorhabens ist die Konzeption, Entwicklung, Aufbau und Test von Röntgenspektroskopischen Apparaturen als Diagnostik für plasmaphysikalische Experimente im APPA-Cave. Dies umfasst zum einen Gitterspektrometer für den Spektralbereich vom Vakuum-Ultraviolett bis in den Bereich weicher Röntgenstrahlung (Wellenlängenbereich etwa von 1nm bis 100nm).

• Teilprojekt 2 (Kaluza): High-Performance Front-End für Nd:Glas basierte Hochenergiesysteme: Für das zu installierende diagnose-Lasersystem wird das Front-End gebaut und charakterisiert und dann bei FAIR in Betreib genommen. Zielparameter sind 10Hz Wiederholrate, 20mJ Energie und eine variable Pulsdauer bis zu 10ns. Das zu bauende Front-End für FAIR wird entscheidend dafür sein, dass mit dem gesamten Lasersystem Pump-Probe-Messungen durchgeführt werden können.

Im Rahmen des Forschungsverbunds APPA-R&D soll die Infrastruktur und Instrumentierung für Experimente zur Licht-Materie Wechselwirkung an den FAIR Speicherringen ESR/CRYRING/HESR und der Fallenanlage HITRAP aufgebaut bzw. optimiert werden. Zudem werden diese experimentellen Vorbereitungen durch begleitende theoretische Studien unterstützt. Die experimentellen Aktivitäten Umfassen: a) Entwicklung lichtstarker Röntgenoptiken für den Energiebereich oberhalb 20 keV, die für die Röntgenspektroskopie hochgeladener Ionen mit strahlungskalorimetrischen Detektoren eingesetzt werden. b) Optimierung der Energieauflösung hochgranularer 2D/3D Röntgendetektoren zur Präzisions-Compton-Polarimetrie, wie sie vor allem an den internen Targets der Speicherring zur Untersuchung der relativistischen Photon-Materie Wechselwirkung eingesetzt werden sollen. c) Entwicklung und Aufbau einer XUV-Hochleistungslaserquelle für Spektroskopie an hochgeladen Ionen d) Theoretische Vorhersagen für den ersten experimentellen Nachweis von Paarerzeugung durch Tunnelprozesse in starken Feldern hochgeladener Ionen und Laser zur Entwicklung optimierter Detektionsschemata.

Im Rahmen des APPA-Forschungsschwerpunkts soll erstmals die einzigartige Eigenschaftenkombination magnetischer Mikrokalorimeter für die hochauflösende Röntgenspektroskopie an hochgeladenen Ionen in Speicherringexperimenten voll ausschöpft, und dadurch eine neue Qualität von Präzisionsexperimenten ermöglicht, zum Beispiel beim Test der Quantenelektrodynamik in hohen Feldern. Basierend auf dem erfolgreichen Mikrokalorimeter-Konzept maXs mit seiner weltweit führenden Energieauflösung, seiner exzellenten Linearität und schnellen intrinsischen Signalanstiegszeit, werden zwei Detektor-Arrays mit je 64 Röntgenabsorbern aufgebaut. Die Geometrie der Detektorarrays und des Kühlers wird optimal auf den Betrieb am 0°-Port des Elektronenkühlers von CRYRING ausgelegt. Unter diesem Winkel sind sowohl Dopplerverbreiterungen wie auch winkelbedingte Unsicherheiten der Dopplerverschiebung minimal. Im Rahmen des APPA Forschungsschwerpunkts sollen außerdem die hochpräzisen Methoden zur Manipulation von Atomen nahe des absoluten Nullpunkts der Temperatur zur Realisierung neuartiger Targets an Beschleunigeranlagen genutzt werden. Es ist geplant, die weiterentwickelte UHV-Kammer einschließlich optischer Dipolfalle aufzubauen und für den Einsatz an der GSI zu konditionieren. Im Quantengas-Target wird eine präzise atomare Zustandspräparation, bis hin zu einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) implementiert. Als Vorbereitung für erste Experimente an FAIR werden wir außerdem die Wechselwirkung einfach-geladener Ionen mit unserem Target untersuchen. Insbesondere ermöglichen uns diese Vorexperimente die Entwicklung der notwendigen Ionenoptik, um Ionen kontrolliert in unsere Experimentierkammer einzubringen und den Überlapp mit dem Target zu optimieren.

Bei dem Vorhaben soll ein Verfahren zur rein optischen Strahldiagnose für intensive Ionenstrahlen bei GSI/FAIR entwickelt werden, welche nicht durch andere Methoden diagnostiziert werden können. Das Konzept besteht darin, das vom Strahl in einem Targetgas erzeugte Szintillationslicht mit Kameras zu beobachten. Diese Beobachtung muss mit Hilfe von optischen Filtern bei Wellenlängen erfolgen, bei denen das Szintillationslicht nur die räumliche Verteilung der Projektile wiedergibt und nicht den Halo des Strahles, der z.B. von Sekundärelektronen erzeugten wird. Dazu sind umfangreiche spektroskopische Studien nötig, um für die verschiedenen Bedingungen (Projektilsorte, Targetdichte etc.) geeignete optische Übergänge im Targetgas zu identifizieren. Soweit möglich sollen die Arbeiten bei GSI/FAIR durchgeführt werden. Grundlegende Studien werden am Münchener Tandembeschleuniger (MLL-Labor) mit zum Teil vorhandener apparativer Ausstattung durchgeführt. Durch den Einsatz von Elektronenstrahlanregung der Targetgase können auch außerhalb von Strahlzeiten das prinzipielle Szintillationsverhalten der zu untersuchenden Gase und Referenzspektren zur Ionenstrahlanregung studiert werden.