 |
|
Research & Development
Laserbeschleunigung geladener Teilchen
16.10.2008
Fokussierte Petawatt-Laser können Ionen so stark und präzise beschleunigen, dass damit eine Alternative zu den aufwendigen Beschleunigern für die Tumortherapie möglich wäre.
Energiereiche Teilchenstrahlen können für die präzise Rasterscan-Bestrahlung nicht-operabler, kompliziert geformter bösartiger Tumoren eingesetzt werden, da Ihre Reichweite im Gewebe über die Energie der Teilchen genau definiert ist. So sollen ab Herbst 2008 auch am neuen Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) die ersten Patienten behandelt werden.
Eine Hadrontherapieanlage besteht allerdings aus einem großen, konventionellen Beschleuniger, der die Ionen (meist Protonen oder Kohlenstoffkerne) auf einige 100 MeV beschleunigt, sowie eine aufwendige magnetische Strahlführung (Gantry) zur Bestrahlung aus allen Raumrichtungen. Ein typischer Gantry-Aufbau wiegt mehrere Hundert Tonnen.
Die Ionen-Beschleunigung mit vergleichsweise kompakten Petawatt-Lasern erweist sich nun als vielversprechende Alternative: der konventionelle Ionenbeschleuni-ger und die schwere magnetischeStrahlführung würde durch eine erheblich einfachere optischeStrahlführung sowie eine weni- ger aufwen- dige Quelleniederenergetischer Ionen ersetzt.
Forscher um Prof.Christoph Keitel am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) konnten jetzt in Modellrechnungen zeigen, dass stark fokussierte Petawatt-Laserstrahlen Ionen so beschleunigen können, dass die zur Hadrontherapie erforderliche Strahlqualiät erzeugt werden kann.
In der Studie wurden linear und radial polarisierte Laserstrahlen von 0,1 bis 10 PW untersucht. Besonders gute Beschleunigungseigenschaften werden von radial polarisiertem Laserlicht erwartet, das bislang zwar nicht mit der gewünschten Intensität erzeugt, wurde; fundamentale Hindernisse stehen dem aber nicht entgegen. Bei 10 PW Laserleistung ergibt sich für Kohlenstoffkerne eine maximale Energie von ~1500 MeV bei 0,8% Energieschärfe. Ionen, die mit linear polarisierten Lasern beschleunigt werden, erreichen den Berechnungen zufolge fast ebenso gute Strahleigenschaften. Derartige Lasersysteme sind bereits mit den erforderlichen hohen Intensitäten vorhanden.
Praktisch könnten Laser-Ionenquellen entwickelt werden, bei denen ein Laser zunächst ein Festkörpertarget ionisiert Diese Ionen würden dann mit dem eigentlichen Beschleunigungslaser bestrahlt.
Prof. Toshi Tajima, der Erfinder der Laserbeschleunigung und einer der weltweit bekanntesten Plasmaphysiker, hat am 25. September eine mindestens einjährige Gastprofessur am „Munich-Centre for Advanced Photonics“ (MAP) in Garching angetreten. Partner in diesem DFG-Exzellenzcluster sind die beiden Münchner Universitäten, mehrere Max-Planck-Institute und Siemens Healthcare. Tajima will sich dort besonders den medizinischen Anwendungen der Laserbeschleunigung widmen. Der Gründer des japanischen Photo Medical Research Centre (PMRC) und des Kansai Photon Science Institute nahe Kyoto sieht in der laserbetriebenen Protonentherapie den zukünftigen Standard zur Bekämpfung u.a. von Krebs, Arthrose und Alters-Makuladegeneration.
[Y.I. Salamin et al., Direct High-Power Laser Acceleration of Ions for Medical Applications, Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 155004]
Photonik 5/2008
