Gammastrahlung aus Plastik
Auf Plastik treffende Laserpulse als interessante Quelle für harte Gammastrahlung.
In den letzten Jahren stößt die Erzeugung hochenergetischer Gammastrahlung dank der guten Entwicklung starker Laserquellen auf deutlich steigendes Interesse. Mit effizienter Gammaquellen im Bereich einiger Megaelektronenvolt ließen sich nicht nur astrophysikalische Phänomene wie etwa die Paarerzeugung in Plasmen oder ähnliche Effekte im Labor nachstellen. Einige Forscher sehen auch Möglichkeiten in strahlentherapeutischen Anwendungen wie bei der Bekämpfung von Krebs oder sogar in der Strahlenchirurgie. Nicht zuletzt in den Materialwissenschaften und für spektroskopische Methoden in der Kernphysik könnten sich solche Gammaquellen als nützlich erweisen.
Abb.: Berechnete Elektronendichte (grün) und magnetische Feldstärke (gelb-orange-blau) in einem strukturierten Plastik-Target 300 Femtosekunden nach Bestrahlung mit einem intensiven Laserpuls von links. Die roten Punkte deuten nach rechts fliegende Photonen jenseits von 10 MeV an. (Bild: A. V. Arefiev, D. J. Stark, T. Toncian, U. Texas)
Gegenwärtig wird vor allem der inverse Compton-
Die Forscher untersuchten die Wechselwirkung eines ultrastarken Laserpulses mit einem Plastik-
Die Wissenschaftler basierten ihre Rechnungen auf einem Petawatt-
Ein überraschender Effekt ermöglicht erst die Erzeugung von Gammastrahlung in optisch undurchsichtigen Materialien: Ist der Laserpuls stark genug, kommt es zur relativistischen Transparenz. Ein eigentlich für den Laserpuls undurchsichtiges Material wird dann so stark erhitzt, dass es sich in ein relativistisches Plasma verwandelt. Die Elektronen in diesem Plasma erfahren durch den Laserpuls eine enorme Beschleunigung und erreichen innerhalb kürzester Zeit relativistische Energien. Dadurch werden zugleich zu träge, um den Oszillationen des elektromagnetischen Feldes weiter folgen zu können.
Der Laserpuls kann deshalb einige Dutzend Mikrometer tief in das Material eintreten und erzeugt dabei auch ein ultrastarkes, quasistabiles Magnetfeld im Plasma. Laut den Simulationen treten bei den simulierten Laserpulsen Feldstärken von bis zu 0,4 Megatesla auf. Sollte sich dieser Vorschlag experimentell realisieren lassen, wäre das ein Rekordwert, der ungefähr um eine Größenordnung über allem liegt, was vergleichbare Verfahren zu bieten haben.
Dieses ultrastarke Magnetfeld windet sich um die Achse des Laserpulses. Dadurch erfahren die Elektronen eine weitere Beschleunigung, die zur Aussendung von Synchrotronstrahlung führt. Nach den Simulationen der Forscher sollte sich bei solch intensiven Laserpulsen die Effizienz bei der Umwandlung der Laserenergie in hochenergetische Gamma-
Die Simulationen zeigten aber auch ein Problem bei diesem Ansatz auf: Der Laserpuls reagiert beim Eintreten in das Material mitunter sehr instabil. Kleine Unregelmäßigkeiten können zu einer Krümmung der Bahn im Material führen, wobei sich natürlich auch die Magnetfelder verwinden. Solche Effekte führen dazu, dass die Gamma-
Die Forscher schlagen deshalb vor, das Plastik-
Sollte sich der Vorschlag der Wissenschaftler von der Universität Texas realisieren lassen, könnte er eine außerordentlich starke Gammaquelle darstellen. Mit zwei solchen Strahlen ließe sich etwa auch ein Photon-
Dirk Eidemüller