Kompakte Beschleuniger für die Medizin

Richtet man intensives Laserlicht auf Materie, so werden geladene Teilchen freigesetzt und auf hohe Energien beschleunigt. Für eine kontrollierte Laser-Teilchenbeschleunigung sind zwar noch einige technologische Hürden zu meistern, erste Anwendungen in der Medizin sind aber absehbar.

Aus schwarz eingefassten runden Linsen tritt das Laserlicht aus. Es trifft auf ein Ziel, an dem ein bläuliches Leuchten sichtbar ist.
Experiment zur Ionenbeschleunigung

Teilchenbeschleuniger sind längst zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die moderne Wissenschaft geworden. Dabei finden sie nicht nur in der Teilchenphysik Anwendung, sondern kommen auch in der Medizin – etwa zur Therapie von Tumoren – zum Einsatz. Doch leider sind leistungsstarke Teilchenbeschleuniger meist so groß, dass ihre Einsatzgebiete eingeschränkt sind. Daher ist es interessant, neue Wege zu erkunden, die in der Zukunft kompakte Teilchenbeschleuniger ermöglichen könnten. Einen solchen Weg stellt die Laser-Teilchenbeschleunigung dar - ein Bereich der Physik, der zunehmend in Fahrt kommt.

Dabei wird in unserem Universum weit häufiger Materie durch Licht beschleunigt, als man vielleicht denken mag. Dies liegt daran, dass alle Materie aus geladenen Teilchen aufgebaut ist, den negativen Elektronen und positiven Atomkernen, und Licht als eine elektromagnetische Welle beschrieben werden kann. Ein beleuchtetes Teilchen erfährt also räumlich und zeitlich wechselnde Kräfte, die es in Schwingungen versetzen. Dies passiert ständig und überall und die Folgen für das Licht lassen sich bei niedrigen Intensitäten mit den Prinzipien der klassischen Optik gut beschreiben.

Gezielt in eine Richtung beschleunigen kann man Teilchen so aber nicht. Anders sieht das aus, wenn das Licht immer heller wird. Bei den Lichtintensitäten etwa, die mittlerweile mit Hochleistungslasern erreichbar sind, kommt es zu einer Reihe zusätzlicher Effekte, die geladene Teilchen über die Schwingung hinaus in Strahlrichtung beschleunigen können. Zunächst können die Elektronen so stark in Schwingung versetzt werden, dass sie sich von den Atomkernen lösen – ein Plasma entsteht.  Die endliche Ausdehnung der Lichtpulse führt zu einer Kraft, welche die leichten Elektronen dann aus dem Bereich des Lichts herausdrückt und von den schweren Atomkerne während der kurzen Dauer des Laserpulses trennt. Die Folge dieser Ladungstrennung ist ein elektrisches Feld, das vor allem in Ausbreitungsrichtung des Laserpulses auf die Teilchen beschleunigend wirkt.

Während man bei einem klassischen Teilchenbeschleuniger von außen ein elektrisches Feld anlegen muss, das die geladenen Teilchen beschleunigt, sorgt also bei der Laser-Teilchenbeschleunigung hochintensives Licht dafür, dass sich ein entsprechend starkes elektrisches Feld in einem Plasma ausbildet.

Laserbeschleunigung von Elektronen

Auf dem linken Bild ist der Laserpuls als heller senkrechter Strich vor dunkelblauem Hintergrund zu sehen. Direkt dahinter liegt die tropfenförmige Blase ohne Elektronen, nur im hinteren, spitzen Teil sind wieder Elektronen als leuchtender, gelb-rötlicher Fleck zu sehen. Das rechte Bild zeigt ein Diagramm, aud dem die Anzahl der Elektronen auf der y-Achse und die Energieintervalle auf der x-Achse aufgetragen sind. Obwohl die Anzahl der Elektronen bis zum Intervall von 40 Millionen Elektronenvolt stark abfällt, ist zwischen 60 und 100 Millionen Elektronenvolt ein deutlicher Peak zu sehen.
Relativistischer ultrakurzer Laserpuls

Soweit die Theorie. Das praktische Problem besteht nun darin, einen intensiven Teilchenstrahl mit wohl definierter Energie zu erzeugen. Leitet man einen hochintensiven Laserpuls durch ein Gas, so kommt es wie oben beschrieben zu einer Trennung der Elektronen von den schweren und damit unbeweglichen Atomkernen. Wenn der Laserpuls aber weiterläuft, versuchen die verdrängten Elektronen an ihren ursprünglichen Platz zurückzukehren. Letztlich bildet sich eine Plasmawelle aus, die Ähnlichkeiten mit jenen Wasserwellen aufweist, die Schiffe hinter sich herziehen. Dabei entsprechen die Wellenberge Bereichen mit hoher Elektronendichte. Erst das Plasma transformiert also die starken quer zur Ausbreitungsrichtung schwingenden elektromagnetischen Felder des Laserpulses in ein sich mit dem Laser mitbewegendes Feld in Längsrichtung. Auf diesem können einzelne Elektronen wie Surfer auf einer Wasserwelle mitlaufen und beim Herablaufen ins Wellental beschleunigt werden. Die Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Qualität ist dabei aber nicht einfach, da die Elektronen - wiederum ähnlich wie der Surfer - mit der richtigen Geschwindigkeit und im richtigen Moment auf die Welle aufspringen müssen. Hier die optimalen Parameter zu finden, ist Gegenstand aktueller Untersuchungen.

Eine besonders stabile Situation liegt im Falle der Bildung einer so genannten Blasenstruktur vor (siehe Bild 1). Ist der Laserpuls stark genug und vor allem kürzer als die Wellenlänge der Plasmawelle, die normalerweise entstehen würde, werden beinahe alle Elektronen durch den Laser verdrängt. Es entsteht anstelle der Plasmawelle eine besonders tiefe, blasenförmige Struktur, die nur noch der ersten Schwingung der Welle entspricht. Neben den besonders starken Feldern, die ausreichen, um Elektronen auf wenigen Millimetern auf Energien im Bereich von Milliarden Elektronenvolt zu beschleunigen, zeichnet sich dieses neuartige Regime dadurch aus, dass eine große Anzahl Elektronen automatisch mit der richtigen Geschwindigkeit in die Struktur geladen werden – quasi, als würden Surfer aus dem Schiff auf die Welle aufspringen (Pfeil in Bild 1). Auf diese Weise lassen sich Teilchenpulse besonders hoher Dichte erzeugen.

Laserbeschleunigung von Ionen

Links ist der Laserstrahl zu sehen, der auf die Folie trifft. Dahinter bildet sich die Wolke aus heißen Elektronen, zwischen der Wolke und der Folie sind die Feldlinien zu sehen, entlang derer positiv gelandene Teilchen beschleunigt werden. Auf der rechten Seite ist die Energieverteilung des Protonenpulses zu sehen, die Energie der Protonen ist bei 1,5 Millionen Elektronenvolt deutloch am höchsten.
Ionenbeschleunigung durch Laserlicht

Ionen sind schwerer als Elektronen. Daher könnten sie erst nach einer viel zu langen Beschleunigungszeit mit einer beinahe mit Lichtgeschwindigkeit laufenden Plasmawelle Schritt halten. Sie können daher nicht auf dieselbe Weise wie Elektronen beschleunigt werden. Doch durch einen erstaunlich einfachen Trick, der die beschleunigenden Felder ortsfest hält, wird auch eine effiziente Laserbeschleunigung von Ionen möglich.

Dazu schießt man einen kurzen hochintensiven Laserpuls auf eine hauchdünne aber undurchsichtige Folie. Dabei bildet sich auf der Vorderseite der Folie ein Plasma, in dem die Elektronen – wie oben beschrieben – in Vorwärtsrichtung, also in die Folie hinein, auf hohe Energien beschleunigt werden. Für diese schnellen Elektronen ist die dünne Folie im Gegensatz zum Laserlicht durchlässig. Wenn die negativ geladenen Elektronen dann auf der Rückseite der Folie austreten, lädt sich die Folienrückseite positiv auf. Aufgrund der hohen Elektronenenergien können dabei für die Dauer des Laserpulses stabile Feldstärken von Millionen Volt pro Mikrometer entstehen. Das reicht aus, um etwa 1010 Ionen von der Oberfläche auf Energien im Bereich von Millionen Elektronenvolt zu beschleunigen.
Da die Felder räumlich begrenzt sind, können durch ein gezieltes Beschichten der Folien mit kleinen Punkten eines gewünschten Elements Ionen auch sortenrein auf einigermaßen gleiche Energien beschleunigt werden.

Entwicklungsmöglichkeiten

Das Feld der Laserteilchenbeschleunigung ist durch die fortschreitende Entwicklung der Lasertechnologie sowie durch das verbesserte Verständnis der auftretenden nichtlinearen Prozesse schnellen Veränderungen unterworfen.

Am deutlichsten sichtbar wird diese Entwicklung bei der Laser-Elektronenbeschleunigung. Seit kurzem können hier Pulse mit einigen hundert Millionen Elektronen auf Energien im Bereich von Milliarden Elektronenvolt beschleunigt werden. Dies geschieht innerhalb von wenigen Millimetern, während dazu bei herkömmlichen Teilchenbeschleunigern weit größere Strecken notwendig sind. Durch das Hintereinanderschalten mehrerer Beschleunigerstufen ließe sich der Energiebereich hier noch weiter nach oben verschieben. Mehrere Techniken zur Erzeugung einheitlicher Energieverteilungen werden derzeit erprobt: Zum einen das gezielte Hineinbringen externer Elektronen in die Plasmawelle. Zum anderen sollte das Erreichen des so genannten Bubble-Regimes, das mit den im Bau befindlichen Laseranlagen mit Pulsdauern unter 25 Femtosekunden erreicht werden kann, eine deutliche Verbesserung bringen.

Ein wichtiges Potential von Laser-Elektronenbeschleuniger liegt darin, die Spitzenströme in den Bereich von 100.000 Ampere anzuheben. Dazu würde man die Ladungsmenge beispielsweise auf knapp 1010 Elektronen steigern und die Pulslänge auf wenige Femtosekunden verkürzen. Solch hohe Spitzenströme sind mit herkömmlicher Technologie nicht erreichbar. Sie motivieren die Entwicklung von Laser-Elektronenbeschleunigern als Treiber von kompakten kohärenten Lichtquellen bis in den Röntgenbereich. Bei Anwendungen, die von hohen mittleren Strömen und Leistungen abhängen wie in der Kern- und Elementarteilchenphysik oder den meisten Freie-Elektronen-Laser-Anwendungen, werden Laserbeschleuniger in absehbarer Zeit aber nicht mit herkömmlichen Beschleunigern konkurrieren können. Zudem ist die Laserbeschleunigertechnologie momentan noch auf niedrige Pulswiederholraten beschränkt. Diese Situation könnte sich in den nächsten Jahren etwas entspannen, wenn die Entwicklung diodengepumpter Systeme fortschreitet.

Baldige Anwendungen sind jedoch für Felder absehbar, bei denen ein Einzelpulsbetrieb ausreicht oder die keine sehr hohen mittleren Leistungen erfordern. Dies ist beispielsweise bei der Strahlentherapie von Tumoren der Fall. Hier könnten Laserbeschleuniger innerhalb eines Jahrzehnts eine kompakte Alternative zu herkömmlicher Technologie darstellen. Vor allem die Methode der Laser Ionenbeschleunigung an dünnen Folien wird bereits mit den nächsten in Betrieb gehenden Lasersystemen in den für therapeutische Bestrahlungen interessanten Energiebereich vordringen. Die momentan erreichbaren Strahlendosen sind bereits ausreichend. Allerdings sind für derartige Anwendungen noch technologische Hürden im Bezug auf die Steuerbarkeit und Strahlungsreinheit der Spektren zu überwinden.

Völlig neuartige Perspektiven könnten sich zudem ergeben, wenn die Intensitäten ausreichen, um direkt mit den Ionen zu wechselwirken. Ionenpulse könnten mit Festkörperdichte beschleunigt werden oder nichtlineare Effekte in der Quantenelektrodynamik (QED), wie etwa die direkte Erzeugung von Teilchen aus Licht, könnten in Reichweite rücken.