GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Großforschungseinrichtung
Bestehen:
Gründungsdatum: 1969
Mitgliedschaft:
Helmholtz-Gemeinschaft
Standort der Einrichtung:
Darmstadt-Wixhausen
Außenstellen:
Helmholtz-Institut Jena, Helmholtz-Institut Mainz
Grundfinanzierung:
Budget: 108 Mio. Euro[1]
Paolo Giubellino (wissenschaftlich)[2]
Ursula Weyrich[3] (administrativ)
Jörg Blaurock[4] (technisch)
Rechtsform: GmbH[5]
www.gsi.de
Gespräch von Holger Klein mit Pressesprecher Ingo Peter über die Forschung der GSI.[6]
Der Eingangsbereich der GSI mit dem Fahnenwald der an FAIR beteiligten Länder
Modell der GSI
Magnete im ESR Ring
Blick in einen der Hauptverstärker des PHELIX-Lasers
Das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt ist eine Forschungseinrichtung, die 1969 als Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) gegründet wurde, um Forschung an und mit Schwerionenbeschleunigern zu betreiben. Es ist die einzige Großforschungs­einrichtung Hessens.
1 Angaben zum Unternehmen
2 Großgeräte
3 Forschungsgebiete
5 Das Internationale Beschleunigerzentrum FAIR
6 Meilensteine
Angaben zum Unternehmen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Gesellschafter der GSI sind die Bundesrepublik Deutschland mit 90 Prozent, das Bundesland Hessen mit 8 Prozent und die Bundesländer Rheinland-Pfalz und Thüringen mit je 1 Prozent. Das Zentrum ist Gründungs-Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.
Ihre aktuelle Bezeichnung erhielt die GSI am 7. Oktober 2008, um zu helfen, die durch die deutschen Großforschungseinrichtungen gegründete Helmholtz-Gemeinschaft bundesweit und international stärker ins Bewusstsein zu rücken.[7]
Großgeräte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung unterhält zurzeit drei Beschleuniger-Anlagen:
Der UNILAC ist ein Linearbeschleuniger, der ionisierte Atome (Ionen) bis zu etwa 20 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann. Mit Ionen in diesem Energiebereich sind bereits eine Vielzahl von Experimenten möglich, die unter anderem zur Entdeckung der superschweren Elemente Bohrium, Hassium, Meitnerium, Darmstadtium, Roentgenium und Copernicium mit den Ordnungszahlen 107 bis 112 geführt haben. Darüber hinaus dient der UNILAC als Injektor für das
SIS18, ein Synchrotron, das Ionen auf bis zu 90 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann (entsprechend einer magnetischen Steifigkeit von 18 Tm);
Der ESR ist ein Speicherring, der bei Bedarf die vom SIS beschleunigten Ionen aufnehmen und speichern kann.
Darüber hinaus werden eine Reihe von großen Experimentiereinrichtungen betrieben. Hierzu gehören:
SHIP, ein elektromagnetischer Geschwindigkeitsfilter zur Separation und Identifikation von Produkten aus der Fusion von Kernen, den superschweren Elementen;
FOPI, ein Groß-Teilchendetektor für die Erforschung der Physik von Kernreaktionen;
HADES, ein Di-Elektron-Spektrometer zur Untersuchung der Eigenschaften von Hadronen insbesondere bei hohen Drücken und Temperaturen;
der FRS (Fragmentseparator), der zur Erzeugung von radioaktiven Isotopen und verschiedener Spalt- und Fusionsprodukten verwendet werden kann;
HITRAP, eine Experimentieranlage zur Entschleunigung und Speicherung von hochgeladenen Ionen;
ein Bestrahlungsplatz für die Tumortherapie mit beschleunigten Kohlenstoff-Ionen;
die Beteiligung am ALICE-Detektor des Europäischen Forschungszentrums CERN.
Zusätzlich zu den Ionenbeschleunigern und Großexperimenten befinden sich beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung noch zwei Hochenergie-Lasersysteme zur Erzeugung heißer und dichter Plasmen:
nhelix erreicht Leistungen bis zu 10 Gigawatt (Nanosecond High Energy Laser for Heavy Ion Experiments);
PHELIX ist der „Große Bruder“ des nhelix und soll Leistungen bis zu einem Petawatt erbringen (Petawatt High Energy Laser for Heavy Ion Experiments).
Als Gebäude für ein Rechenzentrum zur Datenanalyse dient unter anderem der Green IT Cube, welcher im Jahr 2016 eingeweiht wurde.[8] Die beim GSI Helmholtzzentrum aufgebauten Experimentiereinrichtungen werden in Kooperation mit etwa 1200 Forscherinnen und Forschern betrieben. Der Schwerpunkt liegt in der Atom- und der Kernphysik, der Plasmaphysik, der Biophysik und Materialforschung.
Zu den großen Erfolgen der damaligen Gesellschaft für Schwerionenforschung zählen die Synthese und der Nachweis der Elemente Bohrium (im Jahr 1981), Meitnerium (1982), Hassium (1984), Darmstadtium (1994), Roentgenium (1994) und Copernicium (1996). Außerdem wurde mit der Schwerionentherapie ein Behandlungsverfahren gegen Tumore entwickelt und erprobt.
Beispiele für Experimentierplätze/Detektoren an der GSI
Targetkammer des Z6-Experimentierplatzes (UNILAC) für Ionen- und Laserstrahlexperimente.[9]
Behandlungsplatz für Schwerionentherapie mit Mustermaske für die Bestrahlung von Hirntumoren
Gammastrahlungsdetektor für das R3B-Land Experiment (Untersuchung der Eigenschaften exotischer Kerne)
Detektorbeispiel II
Detektorbeispiel III
Auf Initiative der hessischen Hochschulen in Darmstadt, Frankfurt und Marburg wurde das GSI-Helmholtzzentrum als Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH (GSI) am 17. Dezember 1969 gegründet.[10] Als Standort wurde ein Waldstück im Norden Darmstadts gewählt. Der Bau kostete ca. 180 Millionen DM. Der von Christoph Schmelzer, 1971 auch erster Geschäftsführer der GSI, entwickelte UNILAC wurde als erster Teil der Beschleunigeranlage realisiert. Die Anlage lieferte erste Ionenstrahlen für Experimente ab 1975.
In den 1980er Jahren wurden mit dem Strahl des UNILAC an der GSI mehrere superschwere Elemente erstmals synthetisiert. Zu dieser Zeit wurden außerdem der Ringbeschleuniger SIS18 und der Experimentierspeicherring ESR geplant, realisiert und schließlich 1990 in Betrieb genommen. Wissenschaftliche Direktoren waren damals Gisbert zu Putlitz (1978–1983) und Paul Kienle (1984–1992).[11] Bereits unter Paul Kienles Nachfolger Hans Joachim Specht (1992–1999) begann eine Diskussion um den weiteren Ausbau der Beschleunigeranlagen und Experimentiermöglichkeiten an der GSI, die in der Amtszeit von Walter Henning (1999–2007) in den Projektvorschlag für die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) mündete. Von 2007 bis 2015 war Horst Stöcker wissenschaftlicher Geschäftsführer der GSI.
Das Internationale Beschleunigerzentrum FAIR[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
→ Hauptartikel: Facility for Antiproton and Ion Research
Modell der Erstplanung der FAIR Anlage
Im Februar 2003 gab die Bundesregierung die Zusage, dass der Ausbau des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung zu einem internationalen Beschleunigerzentrum für die Forschung mit Ionen- und Antiprotonenstrahlen FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) zu 75 % von Deutschland finanziert wird. 65 % entfallen auf den Bund, 10 % auf das Land Hessen. Die restlichen 25 % der Kosten sollen von internationalen Partnern Finnland, Frankreich, Indien, Polen, Rumänien, Russland, Spanien, Schweden und Slowenien getragen werden. Die Gesamtkosten werden mit 1,357 Milliarden Euro (Preisniveau 2005) beziffert.[12]
Im November 2007 fanden in Darmstadt ein Physiker-Symposium sowie eine Veranstaltung statt, in deren Verlauf von den an der Planung Beteiligten ein Kommuniqué über die gemeinsame Errichtung von FAIR veröffentlicht wurde.[13] Am 29. Oktober 2012 überreichten Vertreter der Stadt Darmstadt der FAIR GmbH die Baugenehmigung zur Errichtung der neuen Großforschungsanlage.[14] Ein Großteil der Anlage soll im Jahr 2022 in Betrieb genommen werden, der Vollbetrieb ist für 2025 vorgesehen.[15]
Kernstück ist ein mit supraleitenden Magneten ausgeführter Doppelringbeschleuniger (SIS 100/300). Dieser wird auf einen Umfang von 1083,6 m kommen. Die bestehende GSI-Anlage mit dem Schwerionen-Synchrotron SIS 18 dient als Vorbeschleuniger für den neuen Beschleunigerkomplex FAIR. In dessen Zentrum steht die Synchrotron-Doppelring-Anlage SIS 100 und SIS 300. An diese schließen sich an: der Hochenergie-Speicherring HESR, der Collector-Ring CR und der Recycled-Experimental-Storage-Ring RESR, der Neue-Experimentier-Speicherring NESR sowie der Super-Fragment-Separator SFRS. Dabei können bis zu fünf große Forschungsprogramme mit unterschiedlichen Anforderungen parallel durchgeführt werden. Wegen finanzieller Rahmenbedingungen können von den geplanten Komponenten zunächst nur SIS 100, HESR, CR und SFRS sowie eine Messhalle mit Experimenten an einem festen Target für Kernmaterie-Studien realisiert werden (Modularized Start Version).
Mit dem Projekt will man neue Einblicke in die Struktur der Materie und die Evolution des Universums ermöglichen, aber auch im Anwendungs- und Innovationsbereich arbeiten. Die Anlage soll mit hochenergetischen Ionenstrahlen Erkenntnisse zur Entstehung der schweren Elemente gewinnen sowie grundlegende Fragen über die starke Kraft zwischen den elementaren Bausteinen der Materie klären. Außerdem soll durch die Erzeugung eines Quark-Gluon-Plasmas ein Zustand der Materie näher untersucht werden, der Sekundenbruchteile nach dem Urknall bei der Entstehung des Universums für kurze Zeit bestanden hat. Abgebremste Antiprotonen ermöglichen die Vermessung von Antiatomen (Antiwasserstoff) wie am Antiproton Decelerator. Davon erhoffen sich die Physiker Rückschlüsse auf Symmetrieverletzungen in den Naturgesetzen unserer Welt und einer Welt, die aus Antimaterie besteht. Das experimentelle Programm an FAIR fußt daher auf vier Themengebieten: Kernstruktur, nukleare Astrophysik und Reaktionen (NuSTAR Kollaboration), Kernmaterie (Baryonen)-Experimente (CBM-Kollaboration), Hadronenphysik (PANDA Kollaboration) sowie Experimenten aus Atom-, Plasma-, Materialforschung und Biophysik (APPA Kollaboration).[16]
Strukturell ist die Facility for Antiproton and Ion Research eine unabhängige GmbH, wobei die ersten Anteilseigner der GmbH die Länder Deutschland, Russland, Indien, Rumänien und ein schwedisch-finnisches Konsortium waren.[17] Nach Zusage von finanziellen Beiträgen aus dem Ausland wurde die FAIR GmbH am 4. Oktober 2010 gegründet. Erster wissenschaftlicher Direktor von FAIR ist Boris Sharkov. 1966 – Gründung der Kernphysikalischen Arbeitsgemeinschaft Hessen (KAH)
1969 – Gründung der Gesellschaft für Schwerionenforschung
1970 – Beginn der Mitarbeit in der Arbeitsgemeinschaft der Großforschungsanlagen (AGF)
1975 – Erste Experimente am Linearbeschleuniger UNILAC
1981–1984 – Synthese und Entdeckung der ersten neuen chemischen Elemente (107-109)
1990 – Inbetriebnahme des Ringbeschleunigers SIS-18 und des Speicherringes ESR
1994–1996 – Synthese und Entdeckung der Elemente mit den Ordnungszahlen 110-112
1997 – Erste Patientenbehandlung mit Kohlenstoff-Ionen am GSI-Therapieplatz
2001 – Entwurf zum neuen Beschleunigerzentrum FAIR eingereicht
2007 – Offizieller Projektstart von FAIR
2008 – Das Hochenergielasersystem PHELIX geht in Betrieb
2008 – Die Gesellschaft für Schwerionenforschung wird in GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH umbenannt
2009 – Gründung des Helmholtz-Institut Jena (mit der Friedrich-Schiller-Universität Jena und DESY) und des Helmholtz-Institut Mainz (mit der Johannes Gutenberg-Universität Mainz) als Zweigstellen der GSI
2010 Das sechste bei GSI nachgewiesene Element wird auf den Namen Copernicium getauft
2010 Der Vertrag für die Gründung der FAIR GmbH zur Realisierung des FAIR Projektes wird unterzeichnet, GSI ist Shareholder und einer der Hauptanteilseigner
2016 Das neue IT Green Cube Rechenzentrum geht in Betrieb; das zugehörige Rechnersystem L-CSC lag auf der Weltrangliste der energieeffizientesten Höchstleistungscomputer „Green 500“ bis Juni 2015 auf Platz Eins[18]
ALADIN Dipol für die SPALADIN Kollaboration[19]
Tumortherapie Teststand und Behandlungsplatz
UNILAC Beschleunigungsstrecke
Der Electron-Cooler für die Verbesserung der Strahlqualität im ESR[20]
Das neue Rechenzentrum
Bereits installierte Computerracks im Gebäude
Vier der sechs Etagen werden noch gefüllt werden müssen Seit 1992 nutzt die GSI eine Vorwahl aus dem Nachbarort Messel. Bei der Umstellung auf vierstellige Nebenstellen-Durchwahlen wurde es notwendig, eine zweistellige Telefonnummer zu erlangen, dies war im Darmstädter Netz nicht mehr möglich. Das Beibehalten einer dreistelligen Rufnummer hätte zu mehr als 16-stelligen Rufnummernkombinationen geführt und hätte die Möglichkeiten im damaligen internationalen Selbstwahlverkehr überfordert.
Gottfried Münzenberg, Matthias Schädel: Moderne Alchemie – Die Jagd nach den schwersten Elementen. Braunschweig/Wiesbaden 1996, ISBN 3-528-06474-9.
Commons: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Homepage des GSI Helmholtzzentrums
Ausführliche Informationen über FAIR auf Welt der Physik
Homepage der Facility for Antiproton and Ion Research in Europe GmbH (FAIR GmbH)
↑ a b Zahlen und Fakten über GSI, abgerufen am 5. Juni 2015
↑ Als neuer gemeinsamer Geschäftsführer für FAIR und GSI ([1]) vom 2. Dezember 2017
↑ Als neue gemeinsame Geschäftsführerin für FAIR und GSI (Gemeinsame Geschäftsführerin für FAIR und GSI) vom 3. November 2014
↑ Neuer gemeinsamer technischer Geschäftsführer für FAIR und GSI (GSI-Geschäftsführung, abgerufen am 2. März 2016)
↑ Gesellschafter der GSI sind der Bund zu 90 Prozent, das Bundesland Hessen zu acht Prozent, das Bundesland Rheinland-Pfalz und der Freistaat Thüringen zu je einem Prozent. Sie werden im Aufsichtsrat durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die jeweiligen Landesministerien vertreten.
↑ Resonator-Podcast der Helmholtz-Gemeinschaft: GSI in Darmstadt (Folge 35, 27. Juni 2014)
↑ Pressemitteilung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung vom 20. Oktober 2008
↑ heise online: Green IT Cube: Hocheffizientes Supercomputer-Domizil eingeweiht. In: heise online. Abgerufen am 24. Januar 2016 (de-de). ↑ Erläüterung: Rechts oben die Optiken der nhelix-Laser Beamline. Von links oben kommt der fokussierende PHELIX Laserstrahl; aus dem Bild (kleines Rohr darunter) der Ionenstrahl des UNILAC.
↑ Informationsseite zur Geschichte des GSI-Helmholtzzentrums
↑ Ehemalige Geschäftsführung des GSI-Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung
↑ GSI – Informationen zum FAIR-Projekt – Zahlen und Fakten. Abgerufen am 2. März 2016.
↑ Startschuss für das internationale Beschleunigerzentrum FAIR an der GSI. Pressemitteilung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung vom 7. November 2007
↑ Teilchenbeschleuniger FAIR erhält Baugenehmigung. idw-online vom 29. Oktober 2012
↑ Übersicht über Experimentkollaborationen an FAIR
↑ Pressemeldung über den Staatsvertrag und die Gründung der FAIR GmbH
↑ Neues energieeffizientes Höchstleistungs-Rechenzentrum für GSI und FAIR – Einweihung des Green IT Cube vom 22. Januar 2016, abgerufen am 2. März 2016
↑ SPALADIN Webseite (in Engl.)
↑ The Heavy Ion Storage Ring ESR Abschnitt Electron cooler
49.9313888888898.6791666666667Koordinaten: 49° 55′ 53″ N, 8° 40′ 45″ O
Normdaten (Körperschaft): GND: 10360432-7 (AKS) | LCCN: n80001701 | VIAF: 133560843
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