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entdeckt_02_2012

TITEL// Das Forschungsmagazin aus dem HZDR WWW.Hzdr.DE 18 19 // Hochleistungslaser können Teilchen sehr effektiv beschleunigen. Je mehr Leistung in den ultrakurzen Laserpulsen steckt, desto höher sind die erreichten Energien der schnellen Teilchen. Physiker im HZDR haben eine neue Gleichung gefunden, welche die Temperatur und Dichte lasergetriebener Elektronen beschreibt. Sollte sie richtig sein, benötigt man höhere Intensitäten für Laser, die Ionenstrahlen für An- wendungen wie die Krebstherapie erzeugen sollen. Wir alle nehmen als selbstverständlich an, dass Wasser bei 100 Grad Celsius kocht – egal ob wir morgens lieber einen Tee kochen oder Kaffee bevorzugen. Was würde passieren, wenn wir unser Wasser plötzlich auf 200 Grad Celsius erhitzen müssten, um es zum Kochen zu bringen? Wir müssten die Leistung unserer Kochplatte erhöhen, um unseren Kaffee in derselben Zeit zuzubereiten. In den Morgenstunden müssten zudem die Kraftwerke doppelt soviel elektrische Leistung zur Verfügung stellen, damit wir alle unseren Morgen auf die gewohnte Weise beginnen könnten. Klingt merkwürdig? Natürlich, doch das ist mehr oder weniger genau das, was Doktorand Thomas Kluge zusammen mit Kollegen im HZDR herausgefunden hat, allerdings für das Zusammenspiel von Lichtpulsen aus einem Hochleistungslaser mit Elektronen an der Oberfläche einer Folie. Um das Ergebnis vorwegzunehmen: Man benötigt deutlich mehr Leistung in einem einzigen Laserpuls als bisher ver- mutet, um Elektronen in einer Folie auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen. Betrachtet man nun den Prozess, wie Elektronen und Ionen durch einen Hochleistungslaser be- schleunigt werden, etwas genauer, so kann man die einzelnen Phasen der Beschleunigung wie folgt unterscheiden: Zunächst trifft ein intensiver, ultrakurzer Laserpuls auf die Vorderseite einer dünnen Folie und erzeugt dort ein Plasma aus Ionen (Atomen, die einzelne oder alle ihre Elektronen verloren haben) und heißen Elektronen. Die Elektronen werden durch die starken Felder des Lasers geheizt, ähnlich wie Wasser in der Kaffeemaschine erhitzt wird. Verlassen dann die heißen Elektronen die Folie an der Rückseite, ziehen sie die Ionen hinter sich her und beschleunigen sie zu hohen Energien. Genau diese schnellen Ionen sind es, die Wissenschaftler für Experimente nutzen wollen und die letztendlich für zukünftige Anwendungen wie die Strahlentherapie bei Krebs zur Verfü- gung stehen sollen. Die Elektronen spielen bei der Laser-Beschleunigung von Ionen die Rolle der Energieübermittler. Je heißer sie in der Wechselwirkung mit dem Laser werden, desto mehr Ener- gie können sie an die Ionen abgeben, wobei gilt, dass die Temperatur der Elektronen direkt von der Leistung des Lasers abhängt. Um die Ionenbeschleunigung genau bestimmen zu können ist es wichtig, diese Temperatur sehr gut zu kennen. Thomas Kluge hat nun herausgefunden, dass die konventionel- len, 20 Jahre alten Modelle zur Bestimmung der Temperatur lasergeheizter Elektronen zu ungenau sind. Zusammen mit Kollegen hat er ein neues theoretisches Modell aufgestellt, das die Bewegung vieler Elektronen unter Berücksichtigung relativistischer Effekte einbezieht. Damit sagt er niedrigere Elektronentemperaturen vorher als bislang angenommen. Mit steigenden Laserintensitäten – wie sie für den DRACO- oder den Petawatt-Laser PENELOPE im HZDR, aber ebenso für zukünftige Petawatt-Laser oder den bereits im Betrieb befindlichen Petawatt-Laser in Austin, Texas erwartet werden – erreichen die bisherigen Modelle ihre Grenzen. „Alles dreht sich um die Frage, wie die Temperatur der Elektronen mit der Laserleistung zunimmt“, so Thomas Kluge. „Für neue Hochleistungslaser spielen relativistische Effekte eine viel größere Rolle als bisher angenommen. Falls wir diese nicht beachten, basiert die Planung neuer Lasersysteme nicht auf realistischen Annahmen und die Systeme werden die ge- forderten Ziele womöglich nicht erreichen.“ Einstein und die Teilchen Anstatt wie in den Lehrbüchern üblich nur ein einziges Elektron zur Berechnung der Temperatur heranzuziehen, hat Thomas Kluge die gesamte, vom Laser geheizte Elektronen- wolke in seinen Berechnungen modelliert. Dies ist deutlich Je heißer die Elektronen in der Wechselwirkung mit dem Laser werden, desto mehr Energie können sie an die Ionen abgeben.

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