Weltrekord in Protonenbeschleunigung mit Licht

Schnelle Protonen sind zum Beispiel für die Krebstherapie notwendig. Nicht immer kann man dabei an große Beschleunigeranlagen gehen. Forschern gelingt nun neue Bestmarke bei der Laser-Beschleunigung dieser Teilchen.

Pizza-Kegel-Target; links: mit "Laserstrahl", rechts: Röntgenaufnahme
Pizza-Kegel-Target; links: mit "Laserstrahl", rechts: Röntgenaufnahme

Dresden-Rossendorf - In der Bestrahlungstherapie von Tumoren spielen schnelle Teilchen eine wichtige Rolle. So können Strahlen schneller Protonen genutzt werden um Augenkrebs zu bekämpfen. Die Erzeugung solcher hochenergetischer Partikelstrahlen ist jedoch nicht nur in großen Beschleunigeranlagen möglich. Man kann auch Laserlicht nutzen um Protonen und andere geladene Teilchen extrem zu beschleunigen. Dazu wird die Wechselwirkung des Lasers mit einem Materietarget, also einem materiellen Zielobjekt, genutzt. Dabei werden mikroskopischen Längenskalen sehr große Feldstärken erzeugt.

In einem kürzlich vorgestellten Versuch wurde ein neuer Rekordwert für diese Art von Teilchenbeschleunigung erzielt. Einem Forscherteam, an dem mehrere US-amerikanische Universitäten und Forschungseinrichtungen und das Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) beteiligt sind, gelang es, einen Protonenstrahl mit einer Energie von 67 MeV (Megaelektronvolt) zu erzeugen. Das entspricht der Energie, die ein Elektron oder ein Proton aufnähme, würde es mit einer Spannung von 67 Millionen Volt beschleunigt. Zum Vergleich: An Synchrotron-Beschleunigern wie etwa dam BESSY in Berlin oder PETRA III in Hamburg werden Energien erreicht, die etwa hundert bis tausend mal so groß sind.

Möglich wird die Teilchenbeschleunigung mit Licht durch die hohe Energiedichte moderner Hochleistungs-Kurzpuls-Laser. Trifft ein Puls aus einer solchen Quelle auf Materie, werden die Elektronen derartig stark beschleunigt, dass sie sich von ihren Atomrümpfen lösen. Ein Plasma entsteht. Die endliche Ausdehnung des Lichtpulses sorgt nun dafür, dass die Elektronen nicht nur quer zur Ausbreitungsrichtung des Lasers beschleunigt werden, wie man das auch bei weniger intensivem Licht beobachtet. Statt dessen tritt, nach dem der Puls durch die Materie gewandert ist, eine Plasmawelle aus zurückschwingenden Elektronen auf, die auch eine Komponente in Laserausbreitungsrichtung enthält.

Um diesen Effekt auch auf Ionen anzuwenden, benutzt man Folien mit einer speziellen Struktur, auf die man mit dem Laserstrahl zielt. Im Falle des Rekordexperiments wurde eine Struktur gewählt, die von den Wissenschaftlern aufgrund der optischen Ähnlichkeit zur italienischen Backspezialität als Pizza-Kegel-Target bezeichnet wird. Diese Targets bestehen aus zwei Folien, die durch eine Art Mikro-Kegel getrennt sind. Der Laserstrahl erzeugt auf der ersten Folie ein Plasma, dessen Elektronen die Folie durchqueren können. Auf der anderen Seite treten die Elektronen aus und erzeugen ein starkes elektrisches Feld zwischen Folie und Elektronenwolke, in dem Ionen, wie zum Beispiel Protonen, beschleunigt werden. Die Elektronen werden, aufgrund der speziellen Struktur des Targets, wie in einer Falle gefangen gehalten. Das führt zu den hohen Feldstärken, die diese Rekordprotonenbeschleunigung möglich macht.

Um die Wechselwirkung beobachten zu können, benutzten die Forscher Röntgenstrahlung. Eine theoretische Modellierung mittels einer Computersimulation beschreibt die Ergebnisse bereits gut und wird helfen können die Messergebnisse genauer zu untersuchen und zu deuten. Als nächstes soll die Dichte des Protonenstrahls vermessen werden, neben der Energie eine für die Krebstherapie essentielle Größe.

Der Vorteil von Laser-Anlagen zur Teilchenbeschleunigung besteht in ihrer geringen Größe verglichen mit den großen Teilchenbeschleunigern. Im Prinzip ist es möglich, in einem normalen Laborraum einen Laser-Teilchenbeschleuniger aufzubauen, während große Beschleuniger hunderte von Metern Ausdehnung besitzen.