Wissenschaftliche Mitglieder

Professoren
Dr. Gunnar Andersson-Lindström; Dr. Hans-Heinrich Duhm; Dr. Rudolf Langkau; Dr. Albrecht Lindner; Dr. Werner Neuhauser; Dr. Wolfgang Scobel; Dr. Udo Strohbusch; Dr. Peter Toschek; Dr. Dieter Vogt; Dr. Klaus Wick; Dr. Heinrich Viktor von Geramb

Dozenten
Dr. Rainer Beckmann; Dr. Günter Breuer; Dr. Eckart Fretwurst; Dr. Uwe Holm; Dr. Manfred Niecke; Dr. Volkhard Riech; Dr. Hans-Dietrich Wendt

Hochschulassistenten/Assistenten/wiss. Mitarbeiter
Helmut Krause; Dr. Claus Pegel; Axel Puskeppel; Dr. Richard Rackwitz; Dr. Rodolfo Wehrhahn; Dr. Ulrich Wiedner

Allgemeiner Überblick

Am I. Institut für Experimentalphysik wurden im Berichtszeitraum Themen der Atom- und Molekülphysik (Arbeitsbereich Jungiusstraße) sowie der Kern- und Hochenergiephysik (Arbeitsbereich Bahrenfeld) bearbeitet. Als Forschungsstruktur wurde dabei die bewährte Teamarbeit in kleineren und größeren Gruppen beibehalten, in denen Professoren, Assistenten, wissenschaftliche Mitarbeiter, Doktoranden, Diplomanden und Techniker gemeinsam an einer Forschungsaufgabe tätig sind, um das gesetzte Forschungsziel zu erreichen.

Hauptschwerpunkte dieser Gruppenarbeit waren: Quantenoptik und Laserspektroskopie, anwendungsorientierte Fragen der Atomphysik, experimentelle Grundlagenkernphysik, Forschung, Entwicklung und Anwendung kernphysikalischer Meßmethoden, theoretische Kernphysik sowie Beteiligung an der Hochenergiephysik bei DESY und CERN: Crystal-Ball-Kollaboration (DESY), Crystal-Barrel-Kollaboration (CERN), ZEUS (DESY) und H1 (DESY). Die Arbeiten wurden zu einem beträchtlichen Teil in nationaler oder internationaler Zusammenarbeit mit Gruppen anderer Forschungsinstitute durch Einladung von Gästen nach Hamburg oder in Form von eigenen Gastexperimenten an auswärtigen Einrichtungen verstärkt.

Forschungsschwerpunkte

Atom- und Molekülphysik

Im Berichtszeitraum wurden die atomphysikalischen Arbeiten durch Ausbau der neuen Arbeitsgruppe Quantenoptik und Laserspektroskopie im verstärkten Maße auf dieses zukunftsträchtige Arbeitsgebiet konzentriert. Daneben werden anwendungsorientierte Untersuchungen mit einer Protonenmikrosonde durchgeführt.

• Quantenoptik und Laserspektroskopie: Es werden spezielle Laser als Quellen kohärenten Lichts kleiner Bandbreite für spektroskopische Verfahren mit höchster spektraler Auflösung verwendet. Forschungsschwerpunkte sind:
  Hochauflösende Spektroskopie, besonders an gespeicherten Ionen (Ionenfallen, Paul-Fallen): Die hier verwendete dopplerfreie Spektroskopie an einzelnen Ionenwolken und gespeicherten Ionen gibt detaillierte Auskunft über Absorptions- und Emissionsvorgänge. Die Realisierbarkeit eines Frequenznormals wird untersucht.

  Nichtlineare und kooperative Emissionsprozesse laserangeregter Atome geben Auskunft über zahlreiche nichtlineare Vorgänge, z.B. Zweiphotonemission.

  Absorptionsspektroskopie im Laserresonator (Laser-Intracavity-Absorption): Dieses Verfahren erlaubt den spektral und zeitlich aufgelösten Nachweis kleinster Stoffmengen. Es kann zur Spurenanalyse und zur Analyse schnell ablaufender Reaktionsvorgänge herangezogen werden.

• Spurenanalytik mit der Protonenmikrosonde: Die Arbeitsgruppe betreibt die Anwendung einer der empfindlichsten physikalischen Methoden zur Spurenelementanalyse, PIXE (Protoneninduzierte Emission charakteristischer Röntgenstrahlungen). Das Verfahren wurde unter Verwendung eines 2-MeV-Beschleunigers zur Protonenmikrosonde weiterentwickelt und bei der Untersuchung der Spurenelementverteilung in biologischen und mineralogischen Proben erfolgreich getestet.

Experimentelle Kernphysik

Als zentrale Experimentiereinrichtung stand diesem Bereich bis 1988 ein energievariables Zyklotron zur Verfügung. Protonen und alpha-Teilchen konnten bis ca. 30 MeV, ³He-Teilchen bis ca. 40 MeV beschleunigt werden. Zusätzlich wurden einzelne Projekte als Gastexperimente an auswärtigen Beschleunigern durchgeführt. Die kernphysikalischen Forschungsvorhaben liefern neue Beiträge zum Verständnis der Mechanismen von Kernreaktionen, Aussagen über die Natur der Kernkräfte und Kernstrukturen. Zusätzlich zu diesen Problemstellungen aus der Grundlagenkernphysik werden anwendungsorientierte Forschungen und Entwicklungen durchgeführt. Folgende Schwerpunkte wurden bearbeitet:

• Compound- und Präcompoundreaktionen: Durch die Messung von Energie- und Winkelverteilung der bei Kernreaktionen emittierten leichten Teilchen gegebenenfalls in Koinzidenz mit weiteren schweren Reaktionsprodukten (z.B. Spaltfragmenten), werden Aussagen über die Zeitskala bei der Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts gewonnen. Die experimentellen Daten werden im Rahmen weiterentwickelter statistischer Kernmodelle interpretiert, wobei für die Anfangsphase der Reaktion zusätzlich Struktureffekte durch Nukleonenpaare und Schalenabschlüsse zu berücksichtigen sind. Es wird besonderes Gewicht auf die Spektroskopie der Neutronen mit Flugzeitverfahren gelegt. Im Berichtszeitraum wurde die Neutronenflugzeitanlage am Zyklotron, mit der es möglich ist, die Neutronen in einem Winkelbereich von 3-177° gegen den Protonenstrahl zu erfassen, intensiv genutzt. Ein Teil der Untersuchungen wurde in Gastexperimenten an auswärtigen Beschleunigern (HMI, Berlin - IVCF, Indiana/USA) durchgeführt.

• Kernspaltung und Kernmoleküle: In mittelschweren bis schweren Kernen (Ag, La, Ho, Au) wurde die systematische Untersuchung der Energie- und Massenverteilungen für die Fragmente aus teilcheninduzierter Spaltung fortgesetzt. Die Experimente wurden mit 140 MeV alpha-Teilchen am Zyklotron der KFA-Jülich durchgeführt und zeigten deutliche Unterschiede für die verschiedenen Targetkerne. Im Bereich leichter Kerne wurde das ²⁸Si+alpha Compound-Kernsystem mit der Schwerionenfragmentierung ¹⁶O+¹⁶O oder¹²C+²⁰Ne im Ausgangskanal weiter studiert. Die Interpretation dieser Messungen ist besonders im Zusammenhang von Kernmolekülzuständen von Interesse.

• Silizium-Halbleiterdetektoren, Forschung und Entwicklung: Derartige Detektoren haben in den letzten 20 Jahren eine ständig steigende Bedeutung für den Nachweis und die Spektroskopie ionisierender Strahlung erlangt. Sie werden in zunehmendem Maße über den ursprünglichen Anwendungsbereich kernphysikalischer Grundlagenforschung hinaus in vielen anwendungsorienterten Gebieten der nuklearen Meßtechnik eingesetzt. Schwerpunktmäßig wird die Entwicklung, Untersuchung und Anwendungsoptimierung dieser Detektoren studiert. Besondere Beachtung findet die Weiterentwicklung technologischer Verfahren und das Studium der hierfür verantwortlichen physikalischen Parameter wie auch die Bestimmung der materialabhängigen Spektrometerqualität.

Hochenergiephysik

• Beteiligung an der Crystal-Ball-Kollaboration: Eine Gruppe des Instituts hat sich seit Beginn an der internationalen Crystal-Ball-Kollaboration beteiligt. Dieses Experiment wurde zunächst in Stanford (USA) stationiert und wird seit 1982 am Speicherring DORIS II bei DESY betrieben. Es werden Eigenschaften schwerer "Quarkonia" (Verbindungen aus Quarks und Antiquarks) untersucht. Ziel dieser Experimente ist das Studium der "starken Wechselwirkung" zwischen den Quarks. Weitere Messungen werden zur Suche nach hypothetischen Elementarteilchen beim Zerfall der Quarkonia durchgeführt.

• Beteiligung bei HERA: Die bisher in der Kernphysik tätigen Gruppen engagieren sich in zunehmendem Maße an den internationalen Kollaborationen ZEUS und H1 bei HERA. Im Berichtszeitraum wurden Planungs- und Entwicklungsaufgaben für wichtige Teilkomponenten übernommen, die zunächst besonders mit dem Einsatz von Szintillationszählern und Halbleiterdetektoren in elektromagnetischen und hadronischen Kalorimetern verknüpft waren. Die besonderen Erfahrungen und Kenntnisse aus der experimentellen Kernphysik können so besonders gut in das neue Arbeitsgebiet eingebracht werden.
  Der Schwerpunkt der Institutsbeiträge zu dem HERA-ZEUS-Projekt lag bei Maßnahmen zur e/pi-Kompensation hadronischer Kalorimeter und der Untersuchung von Szintillatoren und Wellenlängenschiebern. Im Rahmen der HERA-H1-Kollaboration beteiligt sich das Institut am Bau des rückwärtigen elektromagnetischen Kalorimeters durch Entwicklung von Prototypen, sowie am Bau des sog. Plug-Kalorimeters, das auf Halbleiterbasis funktioniert.

Theoretische Kernphysik

• Inversion für NN-Potentiale: Die inverse Streutheorie für quantenmechanische Systeme wird zur Erzeugung von NN-Potentialen für niedere und mittlere Energien angewandt. Um Streudaten in geeigneter Form darzustellen, sind theoretisch numerische Verfahren zu entwickeln, die im Rahmen einer Marchenko- oder Gelfand-Levitan-Integralgleichung mächtige Lösungsverfahren implizieren. Die erzeugten Potentiale sind Grundlage für Wenig- und Vielteilchenprobleme der Mittelenergiephysik. Sie haben einen fundamentalen Charakter.

• Drehimpulse in der Quantenmechanik, spezielle Streuprozesse: Es wurde ein langjähriges Lehrbuchprojekt über "Drehimpulse in der Quantenmechnik" abgeschlossen, wobei gegenüber älteren Darstellungen wesentliche Gesichtspunkte aus neueren Forschungsergebnissen eingearbeitet wurden. Besondere Beachtung findet die Anwendung auf Streuprozesse mit polarisierten Teilchen und Vielteilchenprobleme. Außerdem wurde die Beschreibung gebundener und ungebundener Drehkörperzustände im Rahmen des Kontinuumsschalenmodells entwickelt und in einem Beispiel angewendet. Am Ende des Berichtszeitraumes verlagerten sich diese Aktivitäten in den Bereich Quantenoptik und Laserspektroskopie.

Wissenschaftliche Zusammenarbeit

Mit Instituten der Universität Hamburg

II. Institut für Experimentalphysik, Institut für Physikalische Chemie, Institut für Anorganische und Angewandte Chemie, Institut für Hydrobiologie, Mineralogisch-Petrographisches Institut

Mit nationalen Instituten

der Universitäten Bonn, Köln, München, Tübingen, Würzburg; der TU Hamburg-Harburg; dem MPI für Kernphysik, Heidelberg; der KFA Jülich; dem Kernforschungszentrum Karlsruhe; der PTB Braunschweig

Internationale Zusammenarbeit besteht mit

den Universitäten Amsterdam (Niederlande), Helsinki (Finnland), Leningrad (Rußland), Mailand (Italien); Lebedev-Institut Moskau (Rußland); Forschungszentren Saclay und Orsay (Frankreich); University Bloomington (USA); Lawrence Livermore National Laboratory (USA); University Melbourne (Australien)

Anwendung in der Praxis

Anwendungen der Laserspektroskopie

Möglichkeit zur Anwendung der Laser-Intracavity-Absorption zur Spurenanalyse, auch bei schnell ablaufenden Reaktionsvorgängen sowie der Hochauflösungsspektroskopie an Ionenfallen zur Realisierung eines Frequenznormals

Protonenmikrosonde unter Verwendung von PIXE

Realisierung eines p-Mikrostrahls und Entwicklung der Spurenelementanalyse mit hoher Ortsauflösung durch Anwendung des Verfahrens protoneninduzierter Emission charakteristischer Röntgenstrahlung. Einsatz der am 2-MeV-Van-de-Graaff und 25-MeV-Zyklotron bestehenden Möglichkeiten in der Umweltanalytik (TU Hamburg-Harburg) sowie in der Biologie und Medizin (Institute der Universität Hamburg)

Halbleiterdetektoren

Entwicklung von Spezialdetektoren für die Anwendungen in Kernphysik (Hochauflösungsspektroskopie) sowie Hochenergiephysik (Kalorimeter). Anwendung in der Röntgenspektroskopie, F+E-Arbeiten unter Verwendung der Planartechnologie

Instrumentation, Elektronik, Datenverarbeitung

Apparative Entwicklung im Bereich der Beschleunigertechnologie und Kalorimetrie, Entwicklungen im Bereich von Detektorsystemen und Elektronik (u.a. Flugzeitmeßtechnik) sowie bei der Anwendung von Mikroprozessoren; On-line-Datenverarbeitung wird für die Aufbauarbeit bei den HERA-Experimenten genutzt

Ausstattungsmängel

Die Forschungsgruppen verfügen über gute Laboreinrichtungen, die im Berichtszeitraum durch apparative Investitionsmaßnahmen verbessert werden konnten.

Der hohe Stand in der Geräteausstattung der Forschungsgruppen konnte vor allem nur durch Drittmittelförderung gehalten werden. Wachsenden Anforderungen für Ersatz, Ergänzung und Reparatur standen nicht ausreichende Etatmittel aus dem Hamburger Haushalt gegenüber. Dringend benötigte Erneuerungen in der Lehre und in den Service-Werkstätten wurden hierdurch stark behindert.

In der Stellenausstattung ist ein großer Mangel an Nachwuchsstellen mit zeitlich begrenzter Vertragsdauer spürbar. Doktroranden konnten fast nur aus Drittmitteln unterstützt werden. Aufgrund der Sparmaßnahmen ist die Unterstützung der Forschungsgruppen durch technisches Personal auf ein nicht mehr zu unterschreitendes Minimum abgesunken.

Die räumliche Trennung der Institutsbereiche Jungiusstraße und Bahrenfeld ist für Kommunikation und Organisation besonders hinderlich. Der bestehende Raummangel wird durch bauliche Mängel der teils überalterten Gebäude Jungiusstraße und Bahrenfeld (Pavillon) verstärkt. Die Realisierung von entsprechenden Neubauplanungen mit einer weitgehenden Zusammenführung des Instituts steht aus.

Drittmittel 1996

keine Angaben

Periodische Veröffentlichungen

• Jahresbericht des I. Instituts für Experimentalphysik der Universität Hamburg

Forschungsprojekte

Wissenschaftliche Einrichtungen

• Abteilung für Theoretische Kernphysik