10.02.2022

Mehr Energie für die Protonenkanone

Wichtige Hürden für Laser-Plasma-getriebene Protonenquellen zur Tumortherapie identifiziert.

Um Tumore in sensiblen Körperregionen zu behandeln, etwa dem Gehirn oder den Augen, kommt die Protonentherapie zum Einsatz. Dabei werden Protonen beschleunigt und zielgenau in das Tumorgewebe gelenkt, das dabei zerstört wird. Für dieses effiziente und für das gesunde Gewebe schonende Behandlungs­verfahren braucht es bisher jedoch große Beschleuniger-Anlagen, weshalb die Methode nur in großen Behandlungs­zentren verfügbar ist.

 

Abb.: Sebastian Keppler (l.), und Dr. Yasmina Azamoum justieren den Probe-Puls...
Abb.: Sebastian Keppler (l.), und Dr. Yasmina Azamoum justieren den Probe-Puls für ein Experiment zur Laser-Teilchen­beschleunigung mit dem Polaris-Laser­system. (Bild: J. Meyer / U. Jena)

Dabei ließen sich die Protonenstrahlen durchaus auch mit kleineren Lasersystemen erzeugen: mittels der Laser-Plasma-Methode. Bereits seit gut zwei Jahrzehnten tüfteln Experten an deren Entwicklung, doch in Arztpraxen und Krankenhäusern sucht man solche Protonenlaser bisher vergebens. Warum das so ist, erklärt Malte Kaluza von der Friedrich-Schiller-Universität Jena: „Die mittels Laser-Plasma-Wechselwirkung erzeugte Protonen­strahlung ist bisher einfach nicht energiereich genug, und das obwohl die bisherigen theoretischen Modelle voraussagen, dass die Voraus­setzungen dafür eigentlich erfüllt wären.“ Während für die Strahlen­therapie Energien von über 200 MeV notwendig seien, kämen Protonen, die mit Lasern beschleunigt wurden, über 100 MeV bisher einfach nicht hinaus.

Damit sich das in Zukunft ändert, haben der Professor für Experimentalphysik und relativistische Laser­physik und sein Team vom Institut für Optik und Quanten­elektronik der Universität Jena und des Helmholtz-Instituts Jena jetzt einen wichtigen Grundstein gelegt. In monatelanger akribischer Kleinarbeit haben sie die verschiedenen Parameter, die bei der laser-induzierten Protonen­beschleunigung eine Rolle spielen, systematisch untersucht und ihren Einfluss auf die resultierende Strahlung und ihr Zusammenspiel dabei analysiert. Daraus konnten sie ein Set an optimalen Bedingungen ableiten, die zur maximalen Energieausbeute des Protonenstrahls führt. So lassen sich in Zukunft Lasersysteme und die genauen beim Experiment vorherrschenden Bedingungen so konfigurieren, dass damit deutlich energiereichere Protonen­strahlen erzeugt werden können.

Bei der Protonenstrahl­erzeugung aus Laser-Plasma-Wechselwirkungen wird ein hochintensiver Laserpuls auf eine nur wenige Mikrometer dünne Aluminium- oder Titan­folie geschossen. Der Laser wird dabei stark fokussiert, wodurch auf der Folien­vorderseite ein Plasma entsteht. Infolge der Wechselwirkung des weiter einstrahlenden Lasers mit diesem Plasma wird auf der Rückseite der Folie ein extrem starkes elektrisches Feld erzeugt. Das führt dazu, dass Protonen von der Oberfläche der Metallfolie beschleunigt werden.

„Man könnte annehmen, dass man, um die Energie der erzeugten Protonen­strahlung zu erhöhen, einfach mit einem Laser höherer Intensität auf die Folie feuern muss“, sagt Kaluza, „doch so einfach ist es nicht.“ Das Jenaer Forschungsteam konnte in der vorgelegten Untersuchung zeigen, dass sich ab einem bestimmten Schwellenwert der Energie des eingestrahlten Laserpulses das erzeugte elektrische Feld zeitlich und räumlich verschiebt. Das führt dazu, dass sich die schnellsten Protonen zu schnell aus dem Bereich der höchsten Feldstärke heraus bewegen und sich dadurch weniger effektiv beschleunigen lassen. Das erklärt, warum sich bisher die maximale Energie dieser so erzeugten Protonenstrahlen über einen bestimmten Wert hinaus nicht steigern ließ.

Um deren Energie in Zukunft aber dennoch zu steigern, so das Fazit der Forscher, müssten sämtliche Parameter, wie die Dicke der Folie, die Fokussierung des Laserpulses und dessen Pulsdauer, exakt aufeinander abgestimmt sein. In welcher Weise das optimal funktioniert, konnte das Jenaer Team nun erstmals theoretisch herausarbeiten. Wie sich ihre Erkenntnisse in praktischen Laser­experimenten anwenden lassen, darauf sind Kaluza und sein Team jetzt gespannt und stellen sie mit der aktuellen Veröffentlichung der weltweiten Forschergemeinde zur Verfügung. Und auch selbst wollen sie sie natürlich in künftigen Experimenten am Polaris-Laser anwenden.

U. Jena / DE

 

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