Frostiger Wasserstoff als Zielscheibe

Protonen mit starken Laserpulsen auf Trab bringen – dieses noch junge Konzept verspricht gegenüber herkömmlichen Beschleu­nigern manche Vorteile. Unter anderem scheinen deutlich kompaktere Anlagen möglich. Bisherige Prototypen, bei denen Laserblitze auf hauchdünne Metall­folien schießen, zeigen jedoch Schwächen – insbesondere bei der Häufigkeit, mit der sie Protonen beschleunigen können. Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf hat eine internationale Arbeits­gruppe eine neue Technik erprobt: Dabei fungiert gefrorener Wasserstoff als Zielscheibe für die Laserblitze. Perspek­tivisch kann das Verfahren als Basis für neuartige Tumor­therapien dienen.

Konventionelle Protonen­beschleuniger wie der Large Hadron Collider am Cern bei Genf basieren darauf, dass die Teilchen von starken Radiowellen angeschoben werden. Bei der Laser­beschleunigung hingegen bringen ultrahelle Lichtblitze die Teilchen auf Touren: Extrem kurze, überaus starke Laserpulse feuern auf hauchdünne Metallfolien. Dabei heizt das Licht das Material derart auf, dass massenweise Elektronen aus ihm heraustreten, während die schweren Atomrümpfe an Ort und Stelle bleiben. Da die Elektronen negativ und die Atomrümpfe positiv geladen sind, bildet sich zwischen ihnen für einen winzigen Augenblick ein starkes elektrisches Feld.

Dieses Feld kann dann einen Pulk aus Protonen auf einer Strecke von nur wenigen Mikro­metern mit enormer Wucht wegkata­pultieren und dadurch auf Energien bringen, für die es mit der konventionellen Beschleunigertechnik deutlich längere Anlagen bräuchte. Ein weiterer Vorteil: „Bei der Laser­beschleunigung können wir sehr viele Teilchen in einen Protonenpuls packen“, erläutert Physiker Karl Zeil vom Institut für Strahlenphysik am HZDR. „Das könnte für die Strahlen­therapie bei Tumoren interessant sein.“ Die bisherige Methode, mit Laser­blitzen auf Metallfolien zu feuern, hat jedoch ihre Nachteile. Zum einen ist es schwierig, mehrere Protonenpulse pro Sekunde zu erzeugen – schließlich wird die Folie bereits durch einen einzigen Laserschuss zerstört und muss deshalb immer wieder ersetzt werden. Zum anderen verläuft die Beschleunigung recht komplex und lässt sich relativ schwer kontrollieren. Der Grund: Die zu beschleu­nigenden Protonen stammen aus Kohlenwasserstoffen, die sich auf den Metallfolien als Schmutzschicht abgesetzt haben.

Deshalb ließ sich das deutsch-amerikanische Forschungs­team um Karl Zeil eine Alternative einfallen: „Statt einer Metallfolie verwenden wir einen feinen, stark abgekühlten Wasserstoff­strahl“, beschreibt der Forscher. „Dieser Strahl dient als Zielscheibe für unsere hochintensiven Laserblitze.“ Konkret kühlen die Forschenden Wasserstoffgas in einem Kupferblock so stark ab, dass es flüssig wird. Der Flüssig­wasserstoff strömt dann durch eine Düse in eine luftleer gepumpte Kammer. Dabei kühlt er weiter ab und verfestigt sich zu einem mikrometer­feinen Faden: dem Ziel für die Laserblitze. Und da sich der Wasserstoff-Faden von selbst erneuert, hat der Laser mit jedem Schuss eine neue, intakte Zielscheibe im Visier.

Ein weiteres Plus: Der Aufbau lässt einen günstigeren Beschleunigungsmechanismus zu: Statt das Material nur aufzuheizen, drücken die Laserblitze per Strahlungs­druck die Elektronen aus dem Wasserstoff heraus und sorgen für die extremen elektrischen Felder, um die Protonen zu beschleunigen. Optimieren ließ sich der Prozess, indem das Team dem Laserblitz einen kurzen, schwächeren Lichtpuls vorausschickte. Er heizte den gefrorenen Wasserstoff-Faden vor, dehnte ihn dadurch aus und ließ seinen Querschnitt von fünf Mikrometern auf ein Mehrfaches wachsen. Damit ließ sich die Beschleunigungs­strecke erhöhen und der Prozess optimieren.

„Wir konnten Protonen bis auf eine Energie von achtzig Megaelektronenvolt bringen“, berichtet Karl Zeil. „Das ist nahe des bisherigen Rekords für die Laser-Protonen­beschleunigung. Doch anders als frühere Anlagen hat unsere Technik das Potential, mehrere Protonenpulse pro Sekunde zu erzeugen.“ Hinzu kommt: Der Beschleunigungs­prozess lässt sich für Wasserstoff­targets vergleichsweise einfach mit Hochleistungs­rechnern simulieren. Eine Aufgabe, an der auch das Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR beteiligt war. „Dadurch können wir die Wechsel­wirkungen zwischen Laser und Materie besser verstehen und optimieren“, fährt Zeil fort. Nun wollen die Forschenden KI-Algorithmen einsetzen, um die Trefferquote zwischen Laserblitz und gefrorenem Wasserstoff zu erhöhen. Interessant könnte die Technik für eine künftige Variante der Strahlen­therapie sein. Schon heute werden manche Tumoren erfolgreich mit Protonen bestahlt. Per Laser­beschleunigung ließe sich die Dosis erhöhen und damit die Bestrahlungs­zeit verkürzen. Und dadurch könnte das den Tumor umgebende gesunde Gewebe besser geschont werden.

HZDR / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Rehwald et al.: Ultra-short pulse laser acceleration of protons to 80 MeV from cryogenic hydrogen jets tailored to near-critical density, Nat. Commun. 14, 4009 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-39739-0
• Institut für Strahlenphysik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR, Dresden