Wie der Teilchenstrahl seine Struktur bekommt
HZDR-Forscher prägen mit rein optischer Methode Strukturen in lasergetriebenen Protonenstrahl.
Die Behandlung von Tumoren mit Protonen gilt als sehr vielversprechend. Bislang werden dafür allerdings große und kostspielige Anlagen benötigt, die diese geladenen Teilchen auf die nötige Energie bringen. Eine Alternative könnte die Beschleunigung per Laserkraft sein, was kompaktere Geräte ermöglichen würde. Im Profil der lasergetriebenen Protonenstrahlen kommt es jedoch immer wieder zu Unregelmäßigkeiten, was hinderlich für die medizinische Anwendung ist. Bislang ging die Forschung davon aus, dass dies auf komplizierte Plasmaprozesse im Beschleuniger zurückgeht, die schwer zu kontrollieren sind. Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben nun eine alternative Erklärung im Fachmagazin Nature Communications vorgestellt.
Wenn ein hochintensiver Laserpuls mit der Leistung von fast einer Billiarde Watt auf ein dünnes Stück Metall trifft, bringt das selbst so träge Teilchen wie Protonen auf Höchstgeschwindigkeiten. Unter den richtigen Bedingungen entsteht ein Protonenstrahl, in dem die Strahlungsdosis der Teilchen gleichmäßig verteilt ist. Hin und wieder schleichen sich allerdings Unregelmäßigkeiten ein. Das tatsächliche Strahlprofil weicht von den Erwartungen ab. „Bisher dachten wir, dass dies an der Wechselwirkung zwischen dem Laser und dem sogenannten Target, also dem Material, auf das der Puls trifft, liegt“, erklärt Lieselotte Obst-Hübl. Mit weiteren Kollegen aus Deutschland und den USA ist die Doktorandin vom HZDR-Institut für Strahlenphysik vor kurzem auf eine andere Erklärung gestoßen.
„Bei einigen Experimenten mit Wasserstoff an unserem Hochleistungslaser DRACO ist uns etwas Merkwürdiges aufgefallen“, erzählt Obst-Hübl. „Damit die Laserpulse die hohe Leistung erreichen, durchlaufen sie mehrere Verstärkerstufen – sie werden fokussiert und treffen anschließend auf das Target. Standardmäßig untersuchen wir zuvor allerdings einen Ausschnitt des Laserstrahls auf seine Eigenschaften.“ Dafür steht während der Experimente ein kleiner Spiegel im Strahl. An dieser Stelle ist das Laserlicht geblockt, wodurch ein Schatten im Strahlprofil entsteht. „Genau die Form dieses Schattens fanden wir später auch im Protonenstrahl“, fährt die Forscherin fort und fügt an: „Das war überraschend, da sie im fokussierten Strahl nicht auftaucht. Eine physikalische Erklärung für dieses zufällig entdeckte Phänomen zu finden, war eine echte Herausforderung.“
Wie die Dresdner Physikerin nachweisen konnte, sind zwei Bedingungen dafür verantwortlich: Das Target muss etwas kleiner als der Fokus des Laserstrahls und der Druck in der Vakuumkammer, in der sich der Prozess abspielt, ein wenig höher als normalerweise üblich sein. Durch letztere Abweichung befindet sich noch etwas Restgas im Vakuum, das der Laser unabhängig vom eigentlichen Target ebenfalls ionisiert. „Das Licht, das um das Target herumgebeugt wird, erzeugt quasi-statische elektrische Felder im ionisierten Restgas“, erläutert Obst-Hübl. „Diese Felder fungieren als ‚Speichermedium‘ für die Eigenschaften des Laserstrahls. Die gespeicherten Strukturen werden auf den Protonenstrahl übertragen, indem Protonen in den Feldern abgelenkt werden.“
Auf diese Weise gelang es dem internationalen Forscherteam in einem weiteren Experiment mit dünnen Drähten als Target, die Buchstaben „HZDR“ in den Strahl einzuprägen, ohne den eigentlichen Beschleunigungsprozess zu stören. Die Protonendosis war an dieser Stelle entsprechend gering. „Indem wir den Druck in der Kammer variierten, konnten wir den Effekt ein- und ausschalten“, beschreibt Lieselotte Obst-Hübl das Ergebnis, das nach Ansicht der Nachwuchswissenschaftlerin zu einer Neuinterpretation früher beobachteter Unregelmäßigkeiten im Strahlprofil führen dürfte.
Die Möglichkeit, den Strahl gezielt zu strukturieren, könnte darüber hinaus den Einsatz der Laser-Teilchenbeschleunigung in weiteren Forschungszweigen erleichtern. „Bis jetzt konnten wir das Profil des Protonenstrahls mit optischen Methoden nicht so gezielt beeinflussen“, erzählt Obst-Hübl. „Mit unserem Verfahren lässt sich das nun relativ einfach erreichen. Für viele Anwendungen, zum Beispiel bei archäologischen Untersuchungen oder in der Radioonkologie könnte das von großem Nutzen sein. Gerade die Option, die Protonendosis in bestimmten Bereichen des Strahls zu blocken, dürfte sehr interessant sein.“
HZDR / LK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung L. Obst-Huebl et al.: All-optical structuring of laser-driven proton beam profiles, Nature Communications 9 5292 (2018); DOI: 10.1038/s41467-018-07756-z
- Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), Institut für Strahlenphysik
