Schräge Laserpulse erhöhen die Energie von Teilchenstrahlen

Dresden-Rossendorf – Kompakte Laserbeschleuniger könnten nicht nur Protonenstrahlen für die Behandlung von Krebstumoren erzeugen, durch geringere Größe und Kosten wären sie in vielen Krankenhäusern und Instituten einsetzbar. Allerdings gelten die Energien, mit denen Kurzpulslaser  die Teilchen beschleunigen, als zu niedrig für die Therapie. Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf sind der Lösung dieses Problems einen Schritt näher gekommen, indem sie Laserlicht schräg auf eine Metallfolie richteten. Dabei folgen die Protonen der Richtung des Laserstrahls und werden insgesamt stärker beschleunigt, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Communications“. Für die Zukunft gehen die Wissenschaftler davon aus, dass leistungsfähigere Anlagen den Einsatz von Laserbeschleunigern in der Medizin möglich machen könnten.

Zwei Wissenschaftler mit Schutzbrillen an der Laseranlage, in der grünes Licht leuchtet.
Hochleistungslaser DRACO

Mit dem Hochleistungslaser DRACO richteten die Wissenschaftler intensive, ultrakurze Lichtpulse auf eine nur wenige Mikrometer dünne Titaniumfolie. Durch die hohen Energien werden Elektronen aus dem Material herausgerissen und beschleunigen ihrerseits Protonen. Trifft der Laserstrahl senkrecht auf die Metallfolie, bewegen sich sowohl Elektronen als auch Protonen senkrecht von der  Oberfläche weg. Ist der Laserpuls dagegen um 45 Grad gekippt, tritt ein anderer Effekt auf: Die Elektronen folgen zunächst der Richtung des Laserlichts, doch da sie sich sehr nah an der Oberfläche befinden, werden sie rasch von den positiven Atomrümpfen in der Folie zurückgezogen.  

„Auch deshalb war es für uns sehr überraschend, dass nicht nur die Elektronen der Lichtbewegung folgen, sondern auch die Protonen die bisher noch nie gesehen Richtungsabhängigkeit zeigen“, sagt Karl Zeil vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Der Laserpuls dauert 30 Femtosekunden an, was den Millionsten Teilen einer Milliardstel Sekunde entspricht. In dieser Zeit werden die Protonen am stärksten beschleunigt. Durch die Änderung der Bewegungsrichtung und der Symmetrie des elektrischen Feldes gewinnen die Teilchen bei einem schräg einfallenden Laserpuls in dieser ersten Phase eine sehr hohe Energie und sind insgesamt schneller. 

„In der Konsequenz heißt dies, dass ultrakurz gepulste Laser wie unser DRACO-Laser doch in der Lage sein könnten, Protonen mit ausreichend hoher Energie für den zukünftigen Einsatz in der Krebstherapie zu erzeugen“, kommentiert Zeil. Mit DRACO beschleunigte sein Team Protonen auf eine Energie von 20 Megaelektronenvolt (MeV), für die Krebstherapie mit Ionenstrahlen sind jedoch über 100 MeV nötig. Demnächst wollen die Wissenschaftler die Leistung des Lasers von 150 auf 500 Terawatt erweitern, ein Terawatt entspricht 1012 Watt. Außerdem bauen sie an einem neuen System im Petawattbereich (1015 Watt). Mit diesen Petawattlasern könnte der medizinischen Einsatz in greifbare Nähe rücken, hoffen die Forscher.