Laserpuls bündelt Protonen

Unter Laserbeschuss wird eine Metallhülse zur Linse für Protonenstrahlen.

Ultrakurze Laserpulse haben frischen Wind in die Erzeugung und Beschleunigung von geladenen Teilchen gebracht. Während herkömmliche Linearbeschleuniger bei einem „Beschleunigungsgradienten“ von 50 MeV pro Meter an ihre physikalischen Grenzen stoßen, lassen sich mit Laser-Plasma-Beschleunigern möglicherweise 1 GeV pro Zentimeter(!) und mehr erreichen. Dazu erzeugt man mit einem intensiven und ultrakurzen Laserpuls eine Ladungswelle im Plasma, auf der die Elektronen zu ungeahnten Energien „surfen“ können. Doch mit Laserpulsen kann man die Teilchenstrahlen auch bündeln, wie jetzt ein internationales Forscherteam gezeigt hat.

Toma Toncian von der Universität Düsseldorf und seine Kollegen haben mit einem 100 Terawatt-Laser am Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses in Paris einen intensiven und energiereichen Protonenstrahl erzeugt und anschließend äußerst effektiv fokussiert. Mit herkömmlichen elektrostatischen oder magnetischen Linsen lässt sich solch ein Strahl nicht so gut bündeln. Außerdem dauert es zu lange, diese Linsen auf andere Brennweiten oder Teilchenenergien umzuschalten, und sie heizen sich stark auf.

Abb.: Schematischer Aufbau der Protonenlinse, Details siehe Text. Die beiden Laserpulse sind mit CPA₁ und CPA₂ bezeichnet. (Quelle: Toncian et al.)

Die Forscher haben jeden einzelnen Puls ihres Lasers in zwei separate Pulse geteilt und diese auf eine Länge von 350 Femtosekunden komprimiert (Abb.). Mit dem einen Teilpuls (CPA₁) wurde eine 25 µm dicke Aluminiumfolie (Proton production foil) beschossen. Wo der Puls die Folie traf, heizte er sie vorübergehend stark auf und es wurden Elektronen aus der Folie herausgeschleudert. Dadurch baute sich ein sehr starkes elektrisches Feld auf, das die Protonen, die aus Kohlenwasserstoffen auf der Folienoberfläche stammten, auf Energien von bis zu 15 MeV beschleunigte und von der Folie wegfliegen ließ.

Der andere Teilpuls (CPA₂) traf, mit variabler Zeitverzögerung, die Außenseite eines kleinen Metallhohlzylinders aus Dural (95% Al, 4% Cu und 1% Mg), der 3 mm lang war, einen Durchmesser von 0,7 mm und eine Wanddicke von 50 µm hatte (Interaction cylinder). Der Abstand zwischen der protonenerzeugenden Aluminiumfolie und der Zylinderöffnung, die der Folie zugewandt war, betrug 4 mm. In einem variablen Abstand von 2 bis 70 cm hinter dem Hohlzylinder befand sich ein Protonendetektor, mit dem die Wirkung des Hohlzylinders auf den Protonenstrahl beobachtet werden konnte.

Sobald der Metallhohlzylinder von einem Laserpuls getroffen wurde, entstanden heiße Elektronen, die sich gleichmäßig über die Innenseite des Hohlzylinders ausbreiteten. Die Elektronen traten aus dem Metall aus und bewegten sich ins Innere des Hohlzylinders. Es bildete sich ein starkes elektrisches Feld zwischen den Elektronen und den positiven Metallionen auf der Innenwand des Hohlzylinders. Dieses Feld riss schließlich Metallionen aus der Zylinderwand heraus. Es entstand ein Plasma im Hohlraum des Zylinders, das sich ausdehnte und einen sich verengenden Kanal bildete. Nach einigen zehn Picosekunden waren der Kanal und sein elektrisches Feld wieder zerfallen.

Die Protonen, die im richtigen Moment durch den Hohlzylinder flogen, wurden durch die starken elektrischen Felder im Plasmakanal abgelenkt. Dabei kam es darauf an, wo sich die Protonen befanden, wenn sich der Plasmakanal zusammenschnürte. Das wiederum hing sowohl von der Zeitverzögerung zwischen den beiden Laserpulsen ab als auch von der Geschwindigkeit der Protonen. Da der Protonenstrahl Teilchen mit einer breiten Energieverteilung enthielt, ließen sich Protonen unterschiedlicher Energie in unterschiedlicher Weise durch den Hohlzylinder ablenken.

So beobachteten die Forscher, dass „schnelle“ Protonen mit einer Energie von 9 MeV den Hohlzylinder schon durchquert hatten, bevor sich der Plasmakanal bilden konnte. Dieser Teil des Protonenstrahls wurde nicht gebündelt und lief nach Verlassen des Hohlzylinders schnell auseinander. Protonen von 7,5 MeV hatten beinahe das Ende des Hohlzylinders erreicht, als sie vom Plasmakanal eingezwängt wurden. Sie wurden deshalb nur schwach abgelenkt und mit einer langen Brennweite auf einen 200 µm kleinen Fleck fokussiert. Noch langsamere Protonen spürten die Wirkung des Plasmakanals auf seiner ganzen Länge. Sie wurden sehr stark abgelenkt und mit einer kurzen Brennweite gebündelt.

Den Forschern ist es somit gelungen, für Schaltzeiten im Bereich von Picosekunden Protonenstrahlen energieabhängig zu fokussieren. Sie hoffen, mit Hilfe von stärkeren Laserpulsen auch Protonenstrahlen von über 200 MeV bündeln zu können, wie sie z. B. in der Tumortherapie eingesetzt werden. Ihre Protonenlinse eröffnet darüber hinaus auch neue Möglichkeiten für die Fusionsforschung und für die Teilchenphysik. Sie könnte die Linse in konventionellen Beschleunigern eingesetzt werden, um Teilchenstrahlen besser zu bündeln und schneller zu schalten.

Rainer Scharf

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  Toma Toncian et al.: Ultrafast Laser–Driven Microlens to Focus and Energy-Select Mega–Electron Volt Protons. Sciencexpress 16.2.2006.
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1124412
• Institut für Laser- und Plasmaphysik der Universität Düsseldorf:
  http://www.laserphy.uni-duesseldorf.de/
• Institut für Optik und Quantenelektronik an der Uni Jena:
  http://www.physik.uni-jena.de/qe/start.html
• Laser-Plasma-Gruppe am MPI für Quantenoptik in Garching:
  http://www.mpq.mpg.de/lpg/lpgd.htm
  http://www.mpq.mpg.de/lpg/research/LWFA/LWFA.html

Weitere Literatur:

• Oswald Willi: Kürzeste Lichtpulse, höchste Felder, extreme Energiedichten: Moderne Laser-Plasmaphysik. Jahrbuch der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (2003).
  http://www.uni-duesseldorf.de/home/Jahrbuch/2003/PDF/Willi.pdf (frei!)
• H. Schwoerer et al.: Laser-plasma acceleration of quasi-monoenergetic protons from microstructured targets. Nature 439, 445 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04492
• K. W. D. Ledingham et al.: Applications for Nuclear Phenomena Generated by Ultra-Intense Lasers. Science 300, 1107 (2003).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1080552
  http://web.mit.edu/birge/Public/new-articles/Nuclear Ultra Fast Laser (Science).pdf (frei!)
• Karl Krushelnick und Zulfikar Najmudin: Plasmas surf the high-energy frontier. Physics World 2/06, S. 24.
  http://physicsweb.org/articles/world/19/2/7/1