20.03.2019

Aus eins mach zwei

Kielfeld-Beschleuniger liefert zwei Elektronenstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen.

Die Anwendung der Strahlenphysik im medizinischen Bereich soll künftig effizienter und kostengünstiger werden. Mit einem Experiment zur „Erzeugung doppelenergetischer Elektronenstrahlen“ haben Forscher es geschafft, Elektronenstrahlung besser zu kontrollieren. Die Ergebnisse des Forschungsteams rund um Wolfram Helml von der Physik-Fakultät der TU Dortmund und Andreas Döpp von der Ludwig-Maximilians-Universität München, der das Projekt leitete, bilden eine wichtige Grundlage für weitere Forschungen. Bisherige Experimente können durch die neu gewonnene präzise zeitliche Kontrollierbarkeit verfeinert werden. Die Experiment zielen darauf ab, organische und chemische Prozesse besser zu verstehen. Weitere Experimente sollen dann genauer untersuchen, wie beispielsweise selektiv kranke Zellen zerstört werden können.

Abb.: Doppelstufige Quelle für kurze Elektronenpulse (Bild: J. Wenz et al. /...
Abb.: Doppelstufige Quelle für kurze Elektronenpulse (Bild: J. Wenz et al. / Springer Nature)

Momentaufnahmen solcher Prozesse lassen sich mit Hilfe von Elektronenstrahlung machen, die in Teilchenbeschleunigern erzeugt wird. An der Elektronenspeicherringanlage (DELTA) der TU Dortmund werden Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit gebracht, was sich zur Erzeugung von Synchrotron-Strahlung nutzen lässt. Teilchenbeschleuniger wie DELTA in Dortmund oder der lineare Beschleuniger im Stanford Linear Acceleration Center (SLAC) in Kalifornien sind wegen ihrer Größe jedoch nicht praktikabel für die medizinische Alltagsanwendung. Sie versprechen sich davon, dass die von den beschleunigten Elektronen erzeugte Strahlung etwa zur Früherkennung von Krebs verwendet werden kann.

Die Forscher untersuchten nun den Vorgang der Elektronenbeschleunigung mit einem hochintensiven optischen Laser in einem Gas. Für den experimentellen Aufbau nutzten sie eine neuartige Version eines kompakten Kielfeld-Beschleunigers. Hierbei wird ein ultraintensiver Laserimpuls verwendet, um ein Gas zu ionisieren und die erzeugten Elektronen in einer Art Plasmablase hinter sich einzufangen. Wie im Kielwasser eines Schnellboots „surfen“ die Elektronen auf der entstehenden Plasmawelle hinter dem Laserimpuls und erreichen innerhalb weniger Millimeter annähernd Lichtgeschwindigkeit. Konventionelle Beschleuniger benötigen hierzu viele Meter. Die beschleunigten Elektronen können nun Energie in Form von Licht freisetzen. Diese Strahlung kann allerdings in ihrer Farbe oder Frequenz variieren: Sie kann zum Beispiel kurz- oder langwellig sein, Röntgen- oder Terahertzstrahlung. Für unterschiedliche Anwendungen sind ganz bestimmte Frequenzen gewünscht.

Hier setzt das Experiment von Helml und Döpp an: Da für Experimente zur Messung von schnellen Vorgängen üblicherweise zwei Pulse – ein Anregungs- und ein Kontrollimpuls – nötig sind, generieren die Forscher nun durch den neuartigen Aufbau mit nur einem Laserimpuls zwei unterschiedliche Elektronenenergien und damit auch zwei Strahlungsfrequenzen. Auf diese Weise lassen sich zeitliche Ungenauigkeiten und Ungewissheiten über die Frequenzen kontrollieren. Damit haben die Forscher neue Möglichkeiten zur selektiven Erforschung von molekularen Reaktionen eröffnet. Weitere Experimente dazu, was mit dieser neuen Grundlage möglich ist, stehen noch aus. Die neue Fähigkeit, verschiedene Strahlungsfrequenzen gleichzeitig kontrolliert zu erzeugen und die Abgabe der Photonen zeitlich einzustellen, kann die Forschung zur Strahlenphysik darin unterstützen, den Weg in die medizinische Anwendung zu finden. „Wir leisten unseren Beitrag mit diesem Schritt, der hoffentlich irgendwann zur erfolgreichen Behandlung und vor allem Früherkennung von Tumoren führt“, sagt Helml.

TU Dortmund / DE

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