Durchbruch in Laser-Plasma-Physik: Energieverteilung bei Teilchenbeschleuniger stark reduziert

Geladene Teilchen, etwa Ionen und Elektronen, werden in einem Teilchenbeschleuniger mittels elektrischer Felder auf hohe Geschwindigkeit gebracht. Diese Geräte werden in verschiedenen Bereichen der Grundlagenforschung, etwa in der Materialwissenschaft, genutzt. Daneben kommt Teilchenbeschleunigern aber auch in der Medizin, vornehmlich in der Strahlenmedizin, steigende Bedeutung in Diagnostik und Therapie zu. Ein neuer Ansatz kommt aus der Laser-Plasma-Physik. Dabei werden hochintensive Laserimpulse eingesetzt, um Elektronen zu beschleunigen, was wiederum Ionen in hohe Geschwindigkeit versetzt. Diese Geräte sind herkömmlichen Teilchenbeschleunigern in einigen Punkten überlegen. Limitierend war nur, dass Ionen mit breitest möglicher Energieverteilung – von 0 bis zur Maximalenergie – erzeugt wurden. Einem Team aus deutschen und amerikanischen Forschern, zu dem auch Jörg Schreiber, Doktorand am Institut für Kernphysik von Professor Dr. Dieter Habs an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching gehört, gelang jetzt ein Durchbruch. Die Wissenschaftler konnten, wie in der aktuellen Ausgabe von „Nature“ berichtet, Ionen mit stark reduzierter Energieverteilung erzeugen.

Bei ihren Experimenten fokussieren die Forscher die leistungsstärksten und intensivsten Laserimpulse, die derzeit erzeugt werden können, auf dünne Folien. Elektronen werden durch den Lichtdruck nach vorne gedrückt und treten auf der Rückseite wieder aus, wo hohe elektrostatische Felder entstehen. In diesen Feldern werden Ionen beschleunigt, die auf der Rückseite der Folie sitzen. Die Ionen werden also nicht direkt durch den Laserstrahl beschleunigt, sondern durch die Elektronen, die durch die Laserenergie in einen Plasmazustand versetzt werden. Mit Hilfe eines speziellen Gerätes können dann die verschiedenen Ionen aufgetrennt und die jeweils zugehörige Energieverteilung bestimmt werden. Am Ende landen die Ionen, je nach Ladung, Masse und Energie, in verschiedenen Bereichen so genannter CR39-Platten. Werden diese Plastikplatten anschließend mit Natronlauge (NaOH) behandelt, werden die Aufschlagpunkte der Ionen als winzige Krater sichtbar und können gezählt werden. Das erfolgt mit Hilfe eines automatischen Mikroskops, das jedes einzelne beobachtete Ion verfolgen kann und so eine genaue Analyse der Energieverteilungen zwischen den unterschiedlichen Ionensorten ermöglicht.

Schreibers Beitrag lag vor allem darin, einen wesentlichen Teil dieser Datenauswertung vorzunehmen, was zu der Zeit von den amerikanischen Kollegen nicht geleistet werden konnte. Dafür nötig war ein automatisiertes Scanningmikroskop mit einer hochentwickelten Mustererkennungssoftware. Diese erlaubt, innerhalb von zwölf Stunden etwa eine Million Ionenspuren auf den CR39-Platten zu vermessen und die Daten zu katalogisieren. Per Hand würde bei 30 Sekunden pro Spur für die Datenaufnahme und Speicherung die Arbeit etwa ein Jahr ohne Pause in Anspruch nehmen – für eine einzige Detektorplatte. Während eines typischen Experiments, das etwa drei Wochen dauert, werden rund 100 Platten belichtet. Dr. Manuel Hegelich, beschäftigt am Los Alamos National Laboratory und Erstautor der Studie, war bis Ende 2003 als Doktorand und später auch als Postdoktorand am Institut für Kernphysik der LMU bei Professor Dr. Dieter Habs tätig. Über ihn konnte die Kooperation zwischen den deutschen und amerikanischen Forschern vermittelt werden. Mittlerweile befindet sich in Los Alamos ein identisches automatisches Analysesystem. Wegen der Datenfülle, die bei Experimenten anfällt, sollen aber auch in Zukunft beide Systeme zur Auswertung der gemeinsamen Versuche genutzt werden.

In vorangegangenen Experimenten wurde bereits gezeigt, dass Laser-Plasma-Geräte dichtere Ionenpulse als konventionelle Teilchenbeschleuniger erzeugen können. Problematisch war nur die maximal weite Energieverteilung, die einen breiten Einsatz der Geräte unmöglich machte. Dank der nun gezeigten stark reduzierten Energieverteilung könnte sich das ändern. „In unseren nächsten Experimenten werden wir uns ganz grundsätzlich mit der weiteren Erforschung der lasererzeugten Ionenstrahlen beschäftigen“, berichtet Schreiber. „Bisher haben wir ja nur demonstriert, dass diese Art der Ionen mit einem Laser erzeugt werden kann. Dies gilt es nun zu optimieren und besser zu verstehen. Denn die Bedeutung dieser Ionen liegt ja darin, dass nur durch sie bestimmte Anwendungen in greifbare Nähe rücken. Das betrifft zum einen die Grundlagenforschung. Eines unserer großen Ziele ist aber auch, eine bereits entwickelte und an sich marktreife Ionen-Krebstherapie mit Hilfe der lasergenerierten Ionenstrahlen zu verwirklichen. Davon sind wir zwar noch weit entfernt, aber die nächste Generation der so genannten Petawatt-Laser sollte in der Lage sein, in den relevanten Ionen-Energie-Bereich vorzustoßen.“ (suwe)

Publikation:
„Laser acceleration of quasi-monoenergetic MeV ion beams“, Hegelich B.M., Albright B.J., Cobble J., Flippo K., Letzring S., Paffett M., Ruhl H., Schreiber J., Schulze R.K., Fernandez J.C., Nature, Bd. 439, S. 441-444, 2006

Ansprechpartner:
Jörg Schreiber
Institut für Kernphysik (Prof. Dr. Dieter Habs) der LMU in München und
Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching
Tel.: 089-32905-124
E-Mail: joerg.schreiber@mpq.mpg.de