Über den nicht-thermischen Beitrag zur Erzeugung von Schallwellen bei rapidem und lokalisiertem Energieeintrag mit Laserimpulsen und Teilchenpaketen - Zeitaufgelöste optische Interferometrie der Wechselwirkung zwischen kurzen Ionen-Paketen und Wasser

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Schreiber
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491853809

Energetische, geladene Teilchen wie etwa Protonen oder schwerere Ionen, können tief in Wasser eindringen. Dabei ionisieren sie Moleküle und werden sukzessive abgebremst. Die entstehenden Fragmente - freie Elektronen, Radikale und andere Teilchen - sind Ausgangspunkt für eine Vielzahl chemischer Prozesse, die auf Zeitskalen von Femtosekunden bis hin zu Nanosekunden ablaufen. Im späteren Verlauf erhöht sich schließlich die Temperatur des Wassers. Dieser Temperaturanstieg geschieht dennoch sehr schnell und führt, je nach anfänglicher Wassertemperatur, zur Expansion oder Kompression: Bei Temperaturen über 4°C dehnt sich das Wasser aus, während es sich bei Temperaturen darunter zusammenzieht. Die daraus resultierende Volumenänderung erzeugt einen akustischen Impuls, den wir messen können. Wäre die Temperaturänderung allein für den Druckpuls verantwortlich - eine Annahme, auf der derzeit alle Modellierungen basieren - sollte die Druckamplitude bei genau 4°C verschwinden. Unsere Messungen in der letzten Projektphase bestätigen jedoch die Ergebnisse anderer Forschungsgruppen: Dies ist nicht der Fall. Eine physikalische Erklärung für die nicht-thermische Ursache dieses Druckimpulses steht allerdings noch aus. Um dieser Ursache weiter auf den Grund zu gehen, haben wir zwei Ansätze verfolgt. Erstens können wir Experimente mit einem kompakten, temperierten Wasserreservoir durchführen und Ultraschallimpulse im Megahertz-Bereich in verschiedenen Richtungen und in Abhängigkeit von der Temperatur messen. Das wichtigste Ergebnis der ersten Projektperiode ist jedoch unser Erfolg bei der zeitaufgelösten Visualisierung der Brechungsindex-Änderung des Wassers durch interferometrische Messungen. Diese basieren auf einem präzise synchronisierten Laserimpuls. Dieser Ansatz ermöglicht es nun, gleichzeitig sowohl die Signatur der Schallwelle als auch die Temperaturänderung im und um das Volumen der Energiedeposition durch die Ionen zu messen. Bisher waren solche Messungen jedoch nur mit sehr intensiven und vergleichsweise langen (etwa im Mikrosekundenbereich) Ionenpaketen möglich, wodurch sich die Temperatur um mehrere Kelvin änderte und über eine derart lange Dauer, dass die Trennung zwischen dem Druckpuls und der Temperaturänderung nicht ganz trivial ist. Ziel des Folgeprojekts ist es daher, die Empfindlichkeit der optischen Interferometrie-Methode um etwa den Faktor 1000 zu steigern. Dies würde es uns ermöglichen, die Methode auf kürzere (Nanosekunden-) Protonenpakete aus unserer Laser-Protonen-Beschleunigungsanlage am Centre for Advanced Laser Applications der LMU anzuwenden. Die kürzere Zeitskala des "Heizprozess" erlaubt dann, gleichzeitig die Temperaturverteilung im bestrahlten Volumen und den resultierenden Druckpuls zu vermessen. So sollten wir experimentell die optimalen Bedingungen schaffen können, um ein einfaches Modell als physikalische Erklärung für die nicht-thermischen Anteile des Druckimpulses zu validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen