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Dr. Karl Zeil
Laser Particle Acceleration
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Dr. Stephan Kraft
Scientist laser driven ion acceleration
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Prof. Dr. Ulrich Schramm
Director Institute for Radiation Physics and Head Laser Particle Acceleration Division
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Laser-Ionenbeschleunigung

Intensive Ionenpulse auf wenigen Mikrometern auf Energien von vielen 10 MeV zu beschleunigen wird möglich, wenn die Lichtpulse eines Kurzpulshochleistungslasers auf dünne Festkörpertargets fokussiert werden. Bei der Wechselwirkung wird die Laserenergie primär in relativistische Elektronen transferiert, deren kollektive Felder in Folge die Beschleunigung der Ionen bewirken. Die Arbeiten zur Laser-Ionenbeschleunigung am HZDR sind darauf ausgerichtet, die auf Zeitskalen von nur wenigen 10 Femtosekunden ablaufenden Prozesse zu diagnostizieren und zu verstehen, neue Regime zu erkunden und letztlich die Kontrolle über die Strahlparameter zu verbessern, damit diese unerreicht kompakten Beschleuniger für beispielsweise medizinische Anwendungen genutzt werden können. 

TNSA 

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150 TW Laserionenbeschleunigung Target  
  • Laser-Plasma Wechselwirkung

"Der erste Schritt zur Kontrolle der Ionenstrahlen ist ein umfassendes Verständnis der Quelle. In grundlegenden Experimenten fokussieren wir dazu Laserpulse des Draco Lasers auf Targets und erreichen so relativistische Intensitäten von bis zu 1021 W/cm2. Um sowohl die Konversion des Lichts in das Plasma, als auch die Eigenschaften der kollektiven Felder beeinflussen zu können, werden Targetdesigns verwendet, die von dünnen Folien mit einer Dicke im Mikrometerbereich über winzige auf Waferbasis produzierte Scheiben bis hin zu dreidimensionalen Strukturen wie kleinen Kegeln reichen.
Zusammen mit der Nachwuchsgruppe für computergestützte Strahlenphysik arbeiten wir an der Verbindung der komplexen Teilchendynamik bei der Laser-Plasma-Wechselwirkung mit den im Experiment messbaren Observablen, um beispielsweise den Einfluss der Targetgeometrie zu untersucht und neue Mechanismen zu identifizieren.

Referenzen:
Direct observation of prompt pre-thermal laser ion sheath acceleration, Karl Zeil et al., Nature Communications 3, 874 (2012)

     
Zellen  
  • Protonenstrahlen für die Krebstherapie

Eine viel diskutierte Anwendung laserbeschleunigter Protonenstrahlen ist ihr möglicher Einsatz in der Krebstherapie. Neben für die Gewebedurchstrahlung ausreichend hohen Protonenenergien muss dabei eine sehr hohe Stabilität der Strahleigenschaften erreicht, sowie die Wirkung der intensiv gepulsten Strahlung auf biologische Systeme charakterisiert werden. Dazu führen wir gemeinsam mit OncoRay (Projekt OnCOOPtics) ersten interdisziplinäre Studien durch, die am Beispiel der dosiskontrollierten Bestrahlung lebender Krebszellen die prinzipielle Eignung der Quelle erstmals zeigen konnten. Schwerpunkte dieser angewandten Forschung liegen in der Skalierbarkeit der Quelle zu höheren Energien, die auch die Entwicklung stärkerer und effizienterer Lasersysteme motiviert sowie in der Vorbereitung von echtzeitfähigen Detektoren und schließlich der Bestrahlung tiefliegender Tumoren an Modellsystemen. 

Referenzen: 
Dose controlled irradiation of cancer cells with laser accelerated proton pulses, K. Zeil et al., Appl. Phys. B 110, 437 (2013)

     
Spule    
  • Strahltransport

Eine zentrale Aufgabe vor der Anwendung der Ionenstrahlen ist ihr Transport. Der intensive laserbeschleunigte Ionenpuls weist in der Regel eine breite Energieverteilung sowie einen energieabhängigen Strahlöffnungswinkel von etwa 20° auf. In Zusammenarbeit mit der LIGHT Kollaboration und OncoRay werden unterschiedliche Möglichkeiten der energieselektiven Kollimierung mit kompakten Elementen untersucht. Besonders der Einsatz von an die Pulsstruktur der Quelle angepassten gepulsten Magneten, die Felder im Bereich einiger 10 Tesla erlauben, wird hier evaluiert.

Referenzen:
Focusing and transport of high-intensity multi-MeV proton bunches from a compact laser-driven source, S. Busold et al., Phys. Rev. STAB 16, 101302 (2013)


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