13. April 2021

Dem Unbekannten auf der Spur

Ehemalige HZDR-Doktorandin erhält Preis der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft

Ein bis dahin unbekanntes Phänomen, das bei der Strukturierung lasergetriebener Protonenstrahlen auftreten kann, hat Dr. Lieselotte Obst-Hübl während ihrer Promotion am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) entdeckt und entschlüsselt. Für diese und ähnliche exzellente Leistungen verleiht die Amerikanische Physikalische Gesellschaft (APS) an die ehemalige Doktorandin des HZDR, die derzeit am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien die Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen durch ultrakurze Laserpulse erforscht, mit dem Preis für die beste Doktorarbeit in der Strahlenphysik.


Eigentlich sind Protonen – elektrisch positiv geladene Teilchen – die schweren und trägen Vertreter in den Atomen. Doch wenn ein stark fokussierter, hochintensiver Laserpuls wie vom HZDR-Hochleistungslaser DRACO ihre Ruhe stört, können auch sie hohe Geschwindigkeiten erreichen. Genau diesen Prozess untersucht Lieselotte Obst-Hübl seit ihrer Diplomarbeit an der TU Dresden, für die sie schon im Jahr 2014 erste experimentelle Erfahrungen am HZDR sammelte. Die APS-Jury beeindruckte nun vor allem die Vielseitigkeit ihrer Forschung. So konnte die Physikerin einerseits eine praktische Lösung finden, um die Wiederholrate der aufwendigen Laserexperimente zu verbessern. Andererseits aber auch ein grundlegendes, physikalisches Phänomen der Teilchenbeschleunigung enthüllen.


Strukturen im Strahl

„Das war schon ein ziemliches Highlight während meiner Doktorarbeit“, berichtet Lieselotte Obst-Hübl. „Ich konnte dabei den kompletten wissenschaftlichen Prozess von ‚Keine Ahnung, um was es sich bei dieser Erscheinung handelt‘ bis zur endgültigen Erklärung durchlaufen – also genau das, was das Wesen aller Forschung ausmacht.“ Dank diesem Forscherinnendrang konnte sie gemeinsam mit ihren Dresdner Kolleg*innen zeigen, dass häufig auftretende Abweichungen im vorhergesagten Profil von Protonenstrahlen nicht, wie bis dahin vermutet, auf die Wechselwirkung zwischen dem Laser und dem Target – dem Material, auf das der Puls trifft – zurückgeht. Vielmehr übertragen quasi-statische elektrische Felder, die unter bestimmten Bedingungen in der Vakuumkammer – dem Ort, an dem der Laser das Target in ein Plasma verwandelt – auftreten, die Eigenschaften des Laserpulses auf den Protonenstrahl.

„Diese Felder fungieren quasi als Speichermedium, da in ihnen die Protonen abgelenkt werden“, erklärt Obst-Hübl. „Strukturen, die der Laser vor dem eigentlichen Target trifft, werden aus diesem Grund auch im späteren Protonenstrahl abgebildet.“ Wie die Wahl-Kaliforniern und ihre Dresdner Kolleg*innen zeigen konnten, lässt sich der Effekt über den Druck in der Vakuumkammer ein- und ausschalten. „Und das hat uns die Möglichkeit eröffnet, mit rein optischen Methoden das Profil des Protonenstrahls gezielt zu beeinflussen“, fasst Obst-Hübl zusammen. Auch der zweite Aspekt ihrer Doktorarbeit hat direkte praktische Auswirkungen auf die Laser-Teilchenbeschleunigung: die Laser-Protonenbeschleunigung mittels erneuerbarer Targetsysteme, zum Beispiel in Form eines kontinuierlichen, tiefkalten Wasserstoff-Strahls.


Praktischer Nutzen für das gesamte Feld

Gerade bei der Laser-Protonenbeschleunigung müssen Forscher*innen vor allem feste Materialien, wie dünne Folien aus Metall, verwenden. Die Versuche gestalten sich dadurch jedoch aufwendiger, da sie die Targets öfter austauschen und anschließend die Vakuumkammer jedes Mal wieder exakt einrichten müssen. Lieselotte Obst-Hübl konnte zeigen, dass sich auch mit einer gefrorenen Säule aus Wasserstoff als Target ein Protonenstrahl von hoher Qualität erzeugen lässt. „Da es sich dabei ja um einen flüssigen Stoff handelt, der einfach nachfließt, erneuert sich das Target in diesem Fall mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 Metern pro Sekunde ständig neu“, beschreibt Obst-Hübl den Prozess. „Dadurch lassen sich die Experimente viel effizienter durchführen und schneller wiederholen.“

Diese beiden Erfolge bringen die Laser-Teilchenbeschleunigung nach Ansicht ihres ehemaligen Betreuers, Prof. Ulrich Schramm, einen großen Schritt näher in Richtung Anwendung. Der Leiter des HZDR-Instituts für Strahlenphysik hatte seine frühere Doktorandin deswegen für den Preis der APS vorgeschlagen: „Es freut mich sehr, dass die Jury Lieselotte Obst-Hübl ausgewählt hat. Die Auszeichnung zeigt, dass das Knowhow unserer Teams und unsere Infrastruktur exzellente Doktorandinnen und Doktoranden nach Dresden zieht, die nach ihrer Promotion in der ganzen Welt gefragt sind.“ So erhielt die Laserphysikerin bereits kurz nach Verteidigung ihrer Doktorarbeit 2019 ein Angebot des Lawrence Berkeley National Laboratory, an dem sie einen neuen experimentellen Aufbau für den Petawatt-Laser BELLA betreut.
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Foto ©HZDR/Christian Essler: Dr. Lieselotte Obst-Hübl, ehemalige HZDR-Doktorandin und Laserphysikerin.

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