Laser beschleunigt Protonen auf bisher höchste Energien

Die Laser-Teilchenbeschleunigung ist ein aufstrebendes Gebiet der Physik, von dem in Zukunft erhebliche Fortschritte für die moderne Strahlentherapie bei Krebs erwartet werden. Einem internationalen Physikerteam, zu dem auch Wissenschaftler des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf (FZD) gehören, ist es jetzt gelungen, Protonen auf vorher nie erreichte Energien zu beschleunigen. Strahlung in diesem Energiebereich ist z.B. nötig, um Augenkrebs zu behandeln.

Abb.: Links: Pizza-Kegel-Target – von den Wissenschaftlern in Anlehnung an die Form einer Pizza so genannt – mit Laserstrahl (rot) von links. Rechts: In der Röntgenaufnahme ist das tiefe Eindringen des Laserstrahls in die Kegelspitze deutlich zu erkennen. (Bild: FZD)

Intensives Laserlicht, das auf Materie trifft, ist in der Lage, Teilchen auf mikroskopisch kleinen Strecken auf Energien zu beschleunigen, die sonst nur mit großen Beschleunigeranlagen möglich sind. Weltweit erforschen Physiker das Prinzip der Laser-Teilchenbeschleunigung, um damit Partikelstrahlung z.B. für den zukünftigen Einsatz in der Krebsbehandlung zu erzeugen. Thomas Cowan, Direktor des Instituts für Strahlenphysik am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, ist einer der ersten Wissenschaftler, der Untersuchungen zur Laserbeschleunigung von Protonen durchführte. Die aktuellen Rekordmessungen sind das Ergebnis von Experimenten von Sandrine Gaillard im Rahmen ihrer Promotion, die von Cowan betreut wird. Sie entstanden gemeinsam mit Wissenschaftlern des FZD, des Sandia National Laboratory, der University of Nevada, Reno, sowie der University of Missouri, Columbia, am Los Alamos National Laboratory in New Mexico, USA. Es wurden Strahlungsenergien von ca. 67 Megaelektronvolt (MeV) erzielt. 1 Elektronvolt ist die Bewegungsenergie, die ein Teilchen erhält, wenn es mit einer Spannung von 1 Volt beschleunigt wird.

Der neue Weltrekord ist wesentlich von speziell geformten Targets (linke Abb.), also Zieloberflächen, abhängig. Die Wissenschaftler beschossen mit ultrakurzen Laserpulsen von rund 600 Femtosekunden (1 Femtosekunde = 1 Billiardstel Sekunde) und ca. 80 Joule dünne Folien, aus denen kegelartige Strukturen herausstülpen, deren Spitze wiederum mit einer hauchdünnen Folie bedeckt ist. Die Oberflächen wurden nanotechnologisch verändert.

Wenn das intensive Laserlicht auf die Innenseiten dieser ambossartigen Mikrostrukturen trifft, treten Elektronen aus dem Material aus. Im Gegensatz zu glatten Oberflächen wirken die Mikrostrukturen wie eine Elektronenfalle und schließen die Elektronen ein. In dem dabei erzeugten elektrischen Feld können die Protonen auf höhere Energien als bisher möglich beschleunigt werden. Die Wissenschaftler setzten Röntgenstrahlung ein, um die Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahl und den Mikrostrukturen aufzuklären und abzubilden (rechte Abb.).

Genauere Untersuchungen stehen noch aus, aber Computersimulationen, durchgeführt von FZD-Doktorand Thomas Kluge, beschreiben die neuen Daten bereits gut und ermöglichen damit tiefere theoretische Einblicke in die Prozesse. Als nächstes wollen die Forscher die Dichte des Protonenstrahls messen – neben der Energie eine wesentliche Voraussetzung für medizinische Anwendungen.

Forschungszentrum Dresden-Rossendorf

AL