Wissenschaftlern am Forschungszentrum Rossendorf der Helmholtz-Gemeinschaft in Dresden ist es gelungen, bei der Beschleunigung von Laserplasmen bedeutende Fortschritte zu erzielen. Mithilfe einer innovativen Methode gelang es ihnen, die Protonenenergie von etwa 80 auf 150 Megaelektronenvolt zu erhöhen. Dieses Ergebnis übertrifft den bisherigen Rekord für die Beschleunigung von Protonen dramatisch und ermöglicht es kleinen Lasergeräten erstmals, Energieniveaus zu erreichen, die bisher nur in viel größeren Anlagen verfügbar waren. Die neuesten Forschungsergebnisse werden voraussichtlich Fortschritte in der Medizin und den Materialwissenschaften bringen. Der Artikel ist in der 13. Ausgabe von Nature Physics erschienen.
Die neue Methode erhöht die Energie der Protonenbeschleunigung durch Laserpulse deutlich (künstlerisches Bild). Bildquelle: Helmholtz Rosen Forschungszentrum Dresden, Deutschland
Im Vergleich zu herkömmlichen Beschleunigern verwenden Laserplasmabeschleuniger keine starken Radiowellen, um Teilchen anzutreiben, sondern Laser, um Teilchen zu beschleunigen. Allerdings befindet sich diese Technologie derzeit noch in der Forschungsphase, und es gibt weltweit nur wenige sehr große Lasersysteme, die Protonen auf ein Energieniveau von 100 MeV beschleunigen können.
Um mit kleineren Lasergeräten und kürzeren Pulsen ähnlich hohe Beschleunigerenergien zu erreichen, habe man sich die Eigenschaft von Laserblitzen zunutze gemacht, sagte Forschungsleiter Tim Ziegler. Das heißt, ein kleiner Teil des Lasers wirkt wie eine „Starthilfe“ für die Protonen, indem innerhalb einer speziellen Kunststofffolie eine Reihe komplexer Beschleunigungsmechanismen ausgelöst werden. Dadurch wird die Protonenbeschleunigungsenergie des DRACO genannten Lasers enorm gesteigert.
Forschungsergebnisse zeigen, dass der bisherige Rekord für die Protonenbeschleunigung des DRACO-Lasers bei etwa 80 MeV lag und nun 150 MeV erreichen kann, also fast das Doppelte des ursprünglichen Wertes. Darüber hinaus weist der beschleunigte Teilchenstrahl die bemerkenswerten Eigenschaften hoher Energie und gleichmäßiger Bewegung auf.
Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass dieser Durchbruch kleinen Laserplasmabeschleunigern eine wichtige Rolle im medizinischen Bereich, insbesondere bei präzisen Tumorbehandlungsprogrammen, verschaffen wird. Derzeit verlassen sich Ärzte bei derartigen Forschungen hauptsächlich auf große therapeutische Beschleuniger. Bestehende Großbeschleuniger verbrauchen enorme Mengen an Energie, und Laserplasmabeschleuniger könnten wirtschaftlicher sein. Laserblitze können auch zur Erzeugung kurzer und intensiver Neutronenimpulse verwendet werden, die für die wissenschaftliche und technologische Entwicklung sowie die Materialanalyse von großer Bedeutung sind.
