Teilchen für Krebstherapie und Nanotechnologie

In den 100 Jahren, seit Einstein seine spezielle Relativitätstheorie niederschrieb, hat die Wissenschaft immense Fortschritte erzielt – nicht zuletzt dank den Gesetzen des genialen Physikers. So gehorchen auch Teilchen in Beschleunigern den relativistischen Effekten. Doch niemand hätte 1905 an die vielen Anwendungen gedacht, die durch Teilchenstrahlen aus Protonen oder Elektronen möglich wurden. Weitsichtige Grundlagenforschung legt die Basis für künftige Innovationen, wie drei Forschungsprojekte am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz exemplarisch zeigen: Protonentherapie, Fotolithografie und Mikromagnetismus.

Die Protonentherapie am PSI – von der Pioniertat zur klinischen Praxis

Anfang der 70er-Jahre wurde am PSI ein Protonenbeschleuniger für die physikalische Grundlagenforschung gebaut. Bald stellte sich heraus, dass die Anlage auch für die Krebsforschung massgebende Beiträge leisten kann. In der ersten Hälfte der 80er-Jahre installierte das PSI eine besondere Einrichtung, womit man erstmals in Europa Augenmelanom-Patienten mit einer völlig neuen Methode mit Protonen bestrahlen konnte. Basierend auf diesen Erfolgen entwickelte ein Team in den 90er-Jahren am PSI die Spot-Scanning-Technik. Mit dieser weltweit einzigartigen Methode lassen sich auch tief liegende Tumoren mit Protonen äusserst präzise und schonend bestrahlen. Das PSI hat damit international grosses Interesse bei Radioonkologie-Kliniken und der Industrie ausgelöst. Zurzeit entsteht in München das Rinecker Proton Therapy Center (RPTC). Dieses erste vollklinische Protonenbestrahlungszentrum in Europa basiert grösstenteils auf der vom PSI entwickelten Scanning-Bestrahlungstechnik. Weitere Zentren sind in Köln und Essen in Projektierung.

Im Hinblick auf die Einführung des neuen Therapieverfahrens in eine breite klinische Anwendung nimmt das PSI mit dem Projekt PROSCAN zurzeit ein neuartiges Zyklotron in Betrieb und entwickelt auch eine neue Patienten-Bestrahlungseinrichtung (Gantry). Anfang April konnte aus dem Medizin-Zyklotron erstmals ein Protonenstrahl erzeugt werden.

Immer winzigere Strukturen – Weltrekord in der Fotolithografie

Der Fortschritt in der Mikroelektronik führt zu immer schnelleren und billigeren Produkten und basiert auf der Herstellung immer kleinerer Schaltkreise. Angesichts dieses technologischen Trends wird an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS), einem Elektronen-Beschleuniger, an Weiterentwicklungen der Lithografietechniken geforscht. So nutzt die kürzlich in Betrieb genommene Röntgen-Interferenz-Lithografie-Strahllinie das Licht im Bereich des extremen Ultravioletts (EUV), um kleinste Strukturen in fotosensitiven Lacken herzustellen. Kürzlich gelang es Forschern am PSI, damit Strukturen mit Perioden von 32 Nanometern zu erzeugen. Das ist weltweit die bisher kleinste, mit Licht jeglicher Wellenlänge erzeugte Dimension. Die an der SLS hergestellten Strukturen lassen sich zum Beispiel bei der Entwicklung der EUV-Lithografie verwenden, um damit noch leistungsfähigere Computerchips herzustellen.

Röntgenpulse aus dem Synchrotron – Tanz der Domänen

In magnetischen Teilchen von wenigen Tausendstel-Millimeter Durchmesser gibt es Bereiche, wo die Magnetnadeln aller Atome in die gleiche Richtung zeigen. Diese so genannten Domänen lassen sich mit Röntgenlicht aus der SLS sichtbar machen und ihre Reaktion auf angelegte Magnetfelder untersuchen. Es braucht die SLS, eines der weltweit modernsten Synchrotrons, um die extrem kurzen und hellen Pulse von Röntgenlicht für solche anspruchsvollen Experimente zu generieren. Bei der Untersuchung der magnetischen Domänen interessieren nicht nur deren statische Eigenschaften, sondern auch die Änderungen, die sich ergeben, wenn ein äusseres Magnetfeld angelegt wird. Denn diese geben Aufschluss über die Kräfte, die zwischen den atomaren Magnetnadeln herrschen. Die dabei gewonnenen Resultate sind für die Grundlagenforschung von grossem Interesse, sie finden aber auch wichtige technische Anwendungen. So speichern kleinste magnetische Teilchen in Computerfestplatten Informationen. Je schneller das rasant wechselnde Domänenmuster wieder hergestellt ist, desto rascher lassen sich Daten auf der Festplatte ablegen und wieder abrufen.

Für weitere Auskünfte:
Protonentherapie: Martin Jermann, Programmleiter Protonentherapie und Stabschef, PSI; Telefon +41 (0)56 310 27 18; martin.jermann@psi.ch

Fotolithografie: Prof. Dr. Jens Gobrecht, Leiter Labor für Mikro- und Nanotechnologie, PSI, sowie Leiter von INKA (Institut für Nanotechnische Kunststoff-Anwendungen), PSI/FH Aargau/Nordwestschweiz; Telefon +41 (0)56 310 25 29; jens.gobrecht@psi.ch

Mikromagnetismus: Dr. Christoph Quitmann, Forschungsgruppenleiter an der SLS, PSI; Telefon +41 (0)56 31045 60; christoph.quitmann@psi.ch