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Laservorhut hilft beim Kampf gegen Krebs

Einem Forschungsteam des HZDR ist es gelungen, mit einer innovativen Methode die Beschleunigung von Protonen per Laserpuls deutlich zu steigern. Illustration: Blaurock für das HZDR

Einem Forschungsteam des HZDR ist es gelungen, mit einer innovativen Methode die Beschleunigung von Protonen per Laserpuls deutlich zu steigern. Illustration: Blaurock für das HZDR

Rossendorfer Forscher beschießen Spezial-Plastefolie mit Superlasern, um besonders schlagkräftige Protonen zu gewinnen

Dresden, 14. Mai 2024. Damit künftig mehr Krebs-Patienten mit den besonders präzisen und schonenden Protonen-Skalpellen statt Röntgenstrahlen behandelt werden können, arbeitet das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) an besonders kleinen Teilchen-Beschleunigern auf Laser-Basis. Dabei haben sie nun einen deutlichen Fortschritt bei der Energieausbeute gemacht: Als sie spezielle Plastefolien in Vakuumkammern eingeschlossen und mit Superlasern beschossen haben, erreichten sie fast doppelt so energiereiche Protonen wie in bisherigen Laserbeschleunigern. Perspektivisch kann dies dafür sorgen, dass sich bald auch kleinere Krankenhäuser und Institute solche Protonen-Beschleuniger leisten können.

Laser statt Ringbeschleuniger

Hintergrund: Heute bestehen Protonenquellen für den Kampf gegen besonders tückische Tumore in Bauch und Kopf meist aus riesigen und teuren Ringbeschleunigern. Die können sich nur wenige große Krankenhäuser leisten. Die Rossendorfer Forscher wollen daher kleinere Beschleuniger bauen, in denen sie ein Quellmaterial mit Laserimpulsen beschießen. Dabei lösen sie Protonen beziehungsweise positiv geladene Atomrümpfe aus dem Material, die durch die Abstoßungskräfte der negativ geladenen Elektronen aus Atomen fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Allerdings mangelte es diesen laserbeschleunigten Teilchen bisher noch an der Energie, die für die Krebsbehandlung nötig ist.

Bisher unerwünschte Vorhut bereitet nun Hauptpuls vor

Zudem haben die Superlaser einen bisher eher unerwünschten Effekt: „Die Energie eines Pulses setzt nicht sofort ein, wie es idealerweise der Fall wäre“, erklärt der HZDR-Physiker Tim Ziegler. „Stattdessen eilt ihm ein kleiner Teil der Laserenergie bereits voraus, gewissermaßen als Vorhut.“ Eben dies haben sich die HZDR-Teams aber nun zunutze gemacht, indem sie eine spezielle Plastikfolie in einer luftleere Kammer gesperrt haben. Wird die nun von der Laser-„Vorhut“ getroffen, dehnt sie sich aus und wird durchsichtig: „Durch den Einfluss des Lichts expandiert die Folie und wird dabei immer heißer und dünner“, erläutert Ziegler. „Die Folie zerfließt während des Heizprozesses regelrecht.“ Für den Hauptpuls, der unmittelbar danach eintrifft, hat das eine positive Folge: Die Folie, die ihn ansonsten zum Großteil reflektieren würde, wird plötzlich für das Licht durchsichtig. Dadurch kann der Hauptpuls deutlich tiefer ins Material eindringen als bei früheren Versuchen.

Neue Anlage schafft fast doppelt so energiereiche Protonen

Folge: Konnte der eingesetzte Superlaser „Draco“ („Drache“) bisher nur Protonen auf 80 Millionen Elektronenvolt (MeV – ein gängiges Energie-Maß in der Teilchenphysik) hochtreiben, sind es nun 150 MeV, also fast doppelt so viel. Dadurch könnten sich neue Möglichkeiten für die Protonentherapie gegen Krebs eröffnen, aber auch für ganz andere Anwendungen – beispielsweise für die Analyse neuer Werkstoffe und andere Forschungszwecke. Zudem arbeiten Laserbeschleuniger deutlich effizienter als Ringbeschleuniger und könnten damit die Energiebilanz solcher Anlagen verbessern. „Die heutige Anlagen brauchen viel Strom“, betont Ziegler. „Auf Basis der Laserplasma-Beschleunigung könnten sie deutlich sparsamer sein.“

Autor: Oiger

Quellen; HZDR,Wikipedia, Oiger-Archiv

Wissenschaftliche Publikation:

„Laser-driven high-energy proton beams from cascaded acceleration regimes“ von T. Ziegler, I. Göthel, S. Assenbaum, C. Bernert, F.-E. Brack, T.E. Cowan, N.P. Dover, L. Gaus, T. Kluge, S Kraft, F. Kroll, J. Metzkes-Ng, M. Nishiuchi, I. Prencipe, T. Püschel, M. Rehwald, M. Reimold, H.-P. Schlenvoigt, M.E.P. Umlandt, M. Vescovi, U. Schramm und K. Zeil, in: „Nature Physics“, 2024, DOI: 10.1038/s41567-024-02505-0

Repro: Oiger, Original: Madeleine Arndt