Auslösung von Kernreaktionen mit dem Femtosekundenlaser ATLAS

Während Laser in den letzten Jahrzehnten die Atomphysik revolutioniert haben, blieb ihr Einsatz in der Kernphysik weitgehend auf Diagnostikaufgaben beschränkt. Der Grund dafür ist klar: während "atomare Prozesse" (also Vorgänge in der Atomhülle) typischerweise mit sichtbarem Licht angeregt werden, was dem Laser eine breite Palette an Einsatzmöglichkeiten eröffnet, werden "Kernprozesse" meist von Gamma-Strahlung induziert und sind gegenüber sichtbarem Licht inert. Die Anregung nuklearer Reaktionen mit Hilfe von Lasern kann also nur indirekt erfolgen, und zwar über die Erzeugung von Gamma-Strahlen oder hochenergetischen Teilchen. Die stürmische Entwicklung auf dem Gebiet der Hochleistungslaser rückt derartige Experimente in den Bereich des Realisierbaren.

Hochleistungslaser bieten seit Jahrzehnten eine einzigartige Möglichkeit, auf gezielte Weise große Mengen an Energie in sehr kurzer Zeit auf Materie mit einem Volumen von einigen mm³ oder weniger einwirken zu lassen. Bedeutende Anwendungen sind die Inertialfusion, die Realisierung von Röntgenlasern und die Messung der Zustandsgleichung von Materie bei extrem hohen Drücken. Die Lichtpulse aus diesen Lasern haben eine typische Dauer von etwa einer Nanosekunde (10^-9 Sekunden), sodaß Pulsenergien im Kilojoule-Bereich eine Lichtleistung im Bereich von Terawatts bereitstellen. Wegen des hohen Energieumschlages bei geringem Wirkungsgrad beanspruchen diese Laser ein großes Bauvolumen und können wegen langer Abkühlzeiten auch nur etwa einen Lichtblitz pro Stunde abfeuern.

Aus heutiger Sicht sind diese Hochleistungslaser eigentlich als "Hochenergielaser" anzusehen, denn seit einigen Jahren gibt es eine neue Art von Hochleistungslasern: Durch Neuentwicklungen in der Lasertechnik wurde es möglich, die Dauer von Laserpulsen bis in den Bereich von einigen Femtosekunden (10^-15 Sekunden) zu verkürzen. Etwas längere Pulse von um die 100 fs Dauer können effizient verstärkt werden, wobei die Pulsenergie mit etwa 1 J vergleichsweise gering ist, die Pulsleistung dagegen sehr hoch (einige TW oder weit mehr). Weil die Energie dieser "Hochleistungslaser" mindestens um einen Faktor 1000 kleiner ist als die der "Hochenergielaser", können sie kleinvolumig (table-top) gebaut werden und lassen hohe Wiederholraten zu (typisch sind 10 Laserpulse pro Sekunde). Das hervorstechende Merkmal dieser neuen Laser besteht darin, daß sich durch Fokussierung der emittierten Femtosekundenpulse Lichtintensitäten von 10¹⁸ bis 10²⁰ W/cm² erzielen lassen, was die mit den Hochenergielasern erreichbaren Werte um Größenordnungen übersteigt. Dementsprechend ist auch die adressierbare Physik eine völlig andere, was zu einer ganz neuen Klasse von Experimenten führt: Die elektromagnetischen Feldstärken im Lichtpuls erreichen ein Vielfaches der Bindungskräfte der Elektronen an den Kern und sind so stark, daß die Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können. Andererseits ist die Wechselwirkungsdauer so kurz, daß die träge Materie "keine Zeit hat", während des Lichtpulses auf die Gegebenheiten zu reagieren.

Das ATLAS-Lasersystem der Laser-Plasma-Gruppe am MPQ ist ein Vertreter der neuen Femtosekunden-Terawatt-Klasse und erlaubt es, die genannten Phänomene zu untersuchen. Im 10-Hz-Takt werden Pulse mit einer Energie von 200 mJ und einer Dauer von 130 fs ausgesandt, entsprechend einer Leistung von knapp 2 TW. Diese Pulse können auf einen Fleck von 1/100 mm Durchmesser fokussiert werden, sodaß die Intensität im Brennpunkt 10¹⁸ W/cm² übersteigt. In unseren Experimenten (siehe Abb. 1) richten wir den fokussierten Laserpuls auf ein Untersuchungsobjekt (target), das bereits im Plasmazustand vorliegt (also in Form von Ionen und freien Elektronen), weil so eine effiziente Einkopplung der Pulsenergie in die Materie erreicht wird. Dieses "Vorplasma" wird von einem schwachen "Vorpuls" erzeugt, der vom eigentlichen Laserpuls abgespalten und mit einem Vorlauf versehen wird. Die richtige Wahl von Stärke und Vorlauf dieses Vorpulses erlaubt es, die Plasmaeigenschaften wie Dichte, Temperatur und räumliche Ausdehnung optimal für die jeweilige Zielsetzung einzustellen.

Abb. 1: Anordnung für Experimente zur Wechselwirkung hochintensiver Laserpulse mit Materie

Aus einer Vielzahl an theoretischen Arbeiten der letzten Jahre haben wir eine recht gute Vorstellung darüber entwickelt, welche Vorgänge bei der Wechselwirkung des Laserpulses mit dem Vorplasma ablaufen: Der hochintensive Laserpuls manifestiert sich in erster Linie als extrem starkes, fluktuierendes elektromagnetisches Feld. Die freien Elektronen im Plasma oszillieren in diesem Feld, und zwar aufgrund der enormen Feldstärke relativistisch, also mit einer Geschwindigkeit, die praktisch gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Diese relativistischen Oszillationen führen dazu, daß das Plasma wie eine Sammellinse wirkt ("relativistische Selbstfokussierung"), die den Laserpuls auf einen nochmals kleineren Querschnitt nachfokussiert und so die maximale Leistungsdichte weiter erhöht. Außerdem bleibt das Licht in einem engen Kanal gleichsam "gefangen", etwa so wie in einer Lichtfaser. Nichtlineare kollektive Effekte beschleunigen eine große Anzahl von Elektronen in diesem Kanal in Vorwärtsrichtung, und zwar auf Energien bis zu vielen MeV. Eine noch viel größere Anzahl an Elektronen verläßt den Kanal in radialer Richtung. Das elektrische Feld fegt sie gleichsam aus seinem Bereich hinweg und verleiht ihnen Energien bis zu ebenfalls gut 100 keV. Der Lichtpuls hinterläßt nach seinem Durchgang also eine fadenartige Struktur mit großem Mangel an freien Elektronen. Die Ionen in diesem Kanal können aufgrund ihrer weitaus größeren Masse den raschen Oszillationen des elektromagnetischen Feldes nicht folgen und bleiben zunächst ortsfest. Erst verzögert, lange nach dem Durchgang des Lichts, erreichen auch sie hohe Geschwindigkeiten, beschleunigt durch das durch Ladungstrennung entstandene elektrische Feld. Sie fliegen radial auseinander, wie in einer Explosion, und werden bis zu einige 100 keV schnell.

Mehrere Experimente haben bewiesen, daß dieses Bild die Wirklichkeit gut beschreibt: Sowohl die Bildung eines engen Lichtkanals als auch die Beschleunigung von Elektronen auf MeV-Energien wurde beobachtet. Somit steht eine Methode zur Verfügung, die Energie des Laserpulses zu einem Teil in hochenergetische Teilchen zu transferieren, die wiederum als Auslöser verschiedener kernphysikalischer Reaktionen dienen können.

Als Beispiel sei ein Experiment beschrieben, in dem mit dem ATLAS-Laser ausgelöste Kernfusionsreaktionen nachgewiesen wurden: Der Vorpuls erzeugt auf einer Schicht aus deuteriertem Polyethylen (CD₂)_x ein Plasma, das vorwiegend aus ionisierten Deuteriumatomen (Deuteronen) besteht. Der Hauptpuls baut wie beschrieben einen Lichtkanal auf, aus dem letztlich schnelle Deuteronen herausschießen. Aus Simulationsrechnungen ist zu erwarten, daß etwa 10¹¹ schnelle Deuteronen mit Energien bis zu einigen hundert keV entstehen. Stößt ein solches schnelles Deuteron im Plasma rund um den Lichtkanal auf ein kaltes Deuteron, so kann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit die Fusionsreaktion Deuteron + Deuteron —> ³Helium + Neutron stattfinden (Abb. 2). Die entstehenden Neutronen erhalten dabei eine charakteristische Reaktionsenergie von 2.45 MeV. Im Experiment wurde mit einem Flüssigkeitsszintillator nachgewiesen, daß im Schnitt 130 Neutronen pro Laserschuß das Reaktionsvolumen verließen. Ihre Energie wurde über eine Flugzeitmessung bestimmt und entsprach dem erwarteten Wert von 2.45 MeV (siehe Abb. 3).

Abb. 2:Physikalische Mechanismen für die D-D-Fusion mit dem Femtosekundenlaser:

Wenn ein Laserpuls mit einer Intensität von 10¹⁸ W/cm² in ein Plasma fokussiert wird, bildet sich ein enger "Lichtkanal" aus. Aus diesem Kanal werden nach allen Richtungen Elektronen beschleunigt, in Vorwärtsrichtung mit Energien bis zu mehreren MeV. Nachfolgend werden auch die Ionen radial so schnell aus dem Kanal beschleunigt, daß Stöße mit langsamen Ionen zu Fusion führen können.

Abb. 3: Flugzeitmessung:
Beim Beschuß eines targets aus deuteriertem Plastik mit zwei Laserpulsen (Vorpuls und Hauptpuls, 30 bzw 200 mJ, je 130 fs) wurden mit einem Szintillator (a) Gamma-Quanten, (b) Fusionsneutronen und (c) gestreute Fusionsneutronen über ihre Flugzeit getrennt nachgewiesen.

Dieser Mechanismus zur Neutronenproduktion ist langfristig als eine für praktische Zwecke einsetzbare alternative Neutronenquelle denkbar, die ergänzend zu den "klassischen" Reaktorquellen hinzutreten und diese für manche Anwendungen sogar ersetzen könnte. Insbesondere für zeitaufgelöste Messungen sind die kurze Pulsdauer und der hohe Fluß (also Anzahl der Neutronen pro Pulsdauer) attraktive Merkmale einer derartigen Quelle. Auch daß die Neutronen ein monoenergetisches Spektrum besitzen, kann sich vorteilhaft auswirken.

Eine große Anzahl möglicher Anwendungen ist für die Elektronen denkbar, die im Lichtkanal beschleunigt werden. Es bietet sich zum Beispiel an, ihre Energie durch Streuung in einem dichten Material (z.B. Tantal) zur Erzeugung eines Gamma-Strahlungsblitzes zu nutzen, der hochintensiv ist, weil seine Dauer (wie auch die des Elektronenpulses) kleiner als eine Pikosekunde ist. Erste Experimente haben gezeigt, daß die erzeugten Gamma-Quanten Energien bis zu einigen MeV erreichen.

Theoretische Arbeiten geben Anlaß zu der Erwartung, daß höhere Laserleistung zu einer überproportionalen Steigerung an Anzahl und Energie der erzeugten hochenergetischen Teilchen führt. Da die Lasertechnik vehement voranschreitet, ist in den nächsten Jahren mit spannender, interdisziplinärer Physik in dieser Richtung zu rechnen. Dieser kurze Abriß kann nur die ersten Anfänge einesWeges skizzieren, der langfristig vielleicht zu einer "Laserkernphysik" führen wird.