BIOMAT-Kollaboration



Hochenergie Bestrahlungsplätze für die Biophysik und Materialforschung

Die FAIR-Beschleuniger werden eine einzigartige Anlage bilden, in der Schwerionen mit Energien von bis zu 10 AGeV für die Radiobiologie und Materialforschung eingesetzt werden. Die BIOMAT-Bestrahlungsplätze an der Hochenergiestrahlführung von FAIR sollen für die folgenden Forschungsbereiche verwendet werden:

  • biophysikalische Experimente
  • Experimente zur Erforschung von ionen-induzierten Veränderungen in Festkörpern
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Das BIOMAT-Labor wird in der APPA-Halle gemeinsam mit der SPARC-Kollaboration ihren Platz finden (Fig. 2).

    

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Fig. 2: Schematische Skizze der APPA-Halle, welche von SPARC und BIOMAT gemeinsam genutzt werden wird.

Ein entscheidender Punkt der BIOMAT-Experimente ist die Anpassungsfähigkeit der Bestrahlungsplätze, sowie die Variabilität der verschiedenen Strahlparameter, wie z.B. kinetische Energie und Ladungszustände der Ionen. Deshalb ist die APPA-Halle sowohl mit dem SIS18 als auch dem SIS100 verbunden. Um größere Testflächen mit hoher Qualität bestrahlen zu können wird ein magnetischer Strahlscanner und ein passives System zur Streuung der Ionen installiert werden. Der Hauptexperimentierplatz wird ein ferngesteuertes Laufband für die Positionierung von kleinen Proben und großen Bauteilen (z.B.  Detektoren und Raumfahrtkomponenten) und ein Robotsystem für den Umgang mit biologischen Proben erhalten. Bestrahlungsexperimente mit Proben, welche sich unter extremen Druckbedingungen befinden, werden in einer speziellen Laborpresse durchgeführt. Zum Studium von ionen-induzierten Prozessen vor Ort und in Echtzeit ist eine Ultrahochvakuumkammer geplant. Ein weiterer Bestrahlungsplatz in der Nähe des Beam-Dumps wird Experimente unter extremen Strahlbedingungen hinsichtlich Fluss und Energie erlauben.

  

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Fig. 3: Energiespektrum von Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff und Eisen in der galaktischen kosmischen Strahlung. Die Spektren aller Ionen haben ihr Maximum zwischen 0,1 und 1 GeV pro Nukleon. Der hellblaue Bereich ist mit den heutigen GSI-Beschleunigern erreichbar, der dunkelblaue mit FAIR.

Biophysikalische Experimente

Das biophysikalische Forschungsprogramm wird sich hauptsächlich auf Effekte der kosmischen Strahlung konzentrieren. Diese Strahlung stellt ein signifikantes Risiko für jedwede Raumfahrt dar, insbesondere außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde. Die solare und galaktische Teilchenstrahlung besteht überwiegend aus Protonen und Helium-Kernen. Die vergleichsweise kleine Anzahl schwererer Ionen in der galaktischen kosmischen Strahlung kann aber deutlich zur Strahlenbelastung, durch ihre hohe Energieabgabe während der Ionisation, beitragen.

Selbst geringe Strahlendosen können beim Menschen schon zu genetischen Veränderungen, Krebs und  zum Grauen Star führen. Es besteht auch die Gefahr der Beschädigung von  Raumschiffkomponenten, da die lokal konzentrierte Ladung, die von hochenergetischen schweren Ionen deponiert wird, Veränderungen in Computerchips und anderer Elektronik hervorrufen kann. Die häufig beobachteten Statusänderungen von Speicher-Chips sind hierfür ein prominentes Beispiel. Da Abschirmungen im All teuer und schwierig herzustellen sind, sollten die Effekte der kosmischen Strahlung möglichst genau bekannt sein, um die Abschirmmassnahmen optimieren zu können. Die abschirmenden Eigenschaften der Materialien, die für den Bau des Raumschiffs benutzt werden, wie z.B. die Hülle, interne Systeme oder der Treibstoff, können so ausgenutzt werden.

  

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Fig. 4: Nach Plänen der NASA sollen Menschen im Jahre 2020 wieder auf den Mond zurückkehren. Das Projekt sieht eine Crew von sechs Astronauten vor, die die Mondoberflache innerhalb von 60 bis 180 Tagen untersuchen sollen. Der Flug von der Erde zum Mond wird dagegen nur 4 Tage dauern.

  

Experimente über ionen-induzierte Veränderungen in Festkörpern

Die Materialforschung wird sich auf  ionen-induzierte Veränderungen von Festkörpern unter extrem hohem Druck, die Analyse der Wirkung von relativistischen Schwerionen und der Strahlenhärte von Materialien konzentrieren.

Die zu untersuchende Probe wird von mehreren Seiten von Stempeln einem extremen Druck ausgesetzt. Um die Probe mit Ionen bestrahlen zu können muss die Strahlenergie hinreichend groß sein, da zuerst die Stempel durchdrungen werden müssen. Beim Eindringen in die Probe deponieren die Projektile eine enorme Energie in sehr kurzer Zeit in einem kleinen Volumen, was einer sehr hohen Energiedichte entspricht. Dabei werden viele verschiedene Prozesse ausgelöst: Phasenübergänge, thermische Spitzen und Druckwellen. Das Verhalten von Festkörpern unter solchen extremen Druckverhältnissen ist vollkommen unbekannt und könnte Informationen für den Bereich der Geowissenschaften bringen. Hier sind insbesondere geologische Abläufe, sowie die radioaktiven Zerfallsprozesse in der Erdkruste und im oberen Erdmantel zu nennen. Gegenstand der Untersuchungen werden sowohl kurzzeitige Prozesse,  die durch die Projektile verursacht werden, als auch anhaltende Veränderungen der Struktur und anderer Eigenschaften der Probe sein. Die kurzzeitigen Prozesse sind durch eine Vielzahl emittierter Teilchen und Strahlung gekennzeichnet. Emittiert werden Elektronen, Ionen sowie Moleküle und auch elektromagnetische Strahlung in Form von Röntgenstrahlen und Cherenkov-Strahlung.  Deren Eigenschaften, wie Intensität, Energie, zeitliche und räumliche Verteilung, ermöglichen Einblicke in die Prozesse. Zusätzlich wird erwartet, dass kurze und intensive Ionenpulse  ganz neue Prozesse auslösen werden, die in den heutigen Anlagen nicht  möglich sind.

Die Untersuchung der verschiedenen Proben nach der Bestrahlung erlaubt die Auswahl geeigneter Materialien mit den besten Abschirmeigenschaften.

 

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Fig. 5: Scheme and technical design drawings (Voggenreiter GmbH, Mainleus, Germany) of a large-volume multi-anvil cell.


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Example of a multi-anvil cell apparatus (produced by Voggenreiter GmbH) mounted at a synchrotron-radiation beamline at DESY, Hamburg.
 
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