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entdeckt_01_2016

TITEL // DAS FORSCHUNGSMAGAZIN AUS DEM HZDR WWW.HZDR.DE 06 07 Eine der Fragen: Wie schafft man es, dass die Bugwelle des Lasers möglichst viele Elektronen mit sich reißt? Eine Möglichkeit besteht darin, zusätzlich zu den bereits im Plasma vorhandenen Elektronen weitere Teilchen zu injizieren. Dafür können die Experten den Elektronenstrahl des benachbar- ten ELBE-Beschleunigers nutzen. Derzeit bemühen sie sich darum, die Prozesse in der Vakuumkammer so miteinander zu synchronisieren, dass der ELBE-Elektronenstrahl tatsächlich vom Plasma weiterbeschleunigt wird. Und was wollen die Dresdner Physiker mit den schnellen Plasma-Elektronen anfangen? „Eine naheliegende Idee ist, mithilfe der schnellen Elektronen starke Röntgenstrahlung zu erzeugen“, antwortet Irman. Beispielsweise kann man die rasenden Elektronenbündel mit einem weiteren Laserstrahl zusammenprallen lassen, wodurch ausgesprochen helle und kurze Röntgenblitze entstehen. Diese Blitze wären ein überaus wertvolles Forschungswerkzeug, zum Beispiel um ex- treme Materiezustände unter die Lupe zu nehmen, wie sie im Inneren von Planeten und Sternen vorherrschen und wie sie sich heute zumindest kurzzeitig im Labor herstellen lassen. Schnelle Teilchen mit Heilwirkung Einer praxisnäheren Anwendung ist Karl Zeil auf der Spur: Er nutzt die hochintensiven Laserpulse von DRACO, um Pro- tonen und andere Ionen auf Trab zu bringen – also deutlich schwerere Teilchen als Elektronen. „Schnelle Protonen und Kohlenstoff-Ionen dienen dazu, Tumorpatienten effektiv und schonend zu bestrahlen“, sagt Zeil. „Würde man die Teilchen künftig mit Laserpulsen beschleunigen, könnten die Bestrah- lungsanlagen kompakter, einfacher und preiswerter werden.“ Vielen Medizinern gilt die Teilchentherapie als wirksamer und schonender als die konventionelle Strahlentherapie mit Röntgenlicht. Das Prinzip: Ein Beschleuniger bringt gela- dene Teilchen – zumeist Protonen, aber auch Kohlenstoff- Ionen – auf Trab. Dann werden die Teilchen auf den Tumor geschossen: Sie dringen tief ins Gewebe ein und verlieren den Großteil ihrer Energie an einem bestimmten Punkt – dem Geschwür. Damit kommt man dem Ziel einer jeden Strahlen- therapie näher: maximale Dosis im Tumor, minimale Dosis im umliegenden gesunden Gewebe. Der Haken: Der apparative Aufwand der Teilchentherapie ist enorm. Bislang braucht es einen leistungsfähigen Beschleu- niger, der mithilfe von Radiowellen die Protonen auf Touren bringt. Wuchtige Magneten halten die Teilchen auf der vor- gesehenen Bahn und lenken sie zum Patienten. Nicht zuletzt wegen des großen Aufwands gibt es in Deutschland bisher nur wenige Behandlungszentren, etwa das HIT in Heidelberg und die neue Universitäts Protonen Therapie Dresden (UPTD) am OncoRay-Zentrum für Krebsforschung. Deshalb arbeiten Zeil und sein Team an einer kompakteren und hoffentlich einfacheren Methode: Statt mit Radiowel- len beschleunigen sie die Teilchen mit starken Laserpulsen. Anders als bei der Laser-Elektronenbeschleunigung können Ionen und Protonen allerdings nicht durch die Bugwelle des Laserblitzes angeschoben werden – dazu sind sie viel zu schwer und träge. Stattdessen greift ein indirekter Effekt: Nachdem der Laserpuls das Material in ein Plasma verwan- delt hat, treibt er die Elektronen aus dem Material hinaus ins Vakuum, zurück bleiben positiv geladene Ionen. Dadurch bildet sich ein extrem starkes elektrisches Feld aus – so stark, dass die Ionen regelrecht voneinander weggerissen und damit beschleunigt werden. „Für unsere Experimente nutzen wir kein Gas wie bei der Elektronenbeschleunigung“, erläutert Karl Zeil. „Stattdessen verwenden wir Targets aus festen Materialien, zum Beispiel dünne Folien aus Metall.“ Nun steuert der Physiker seinen Arbeitsplatz an – ein Labor mit direktem Zugang zum DRACO-Laser. Im Zentrum des Raums steht eine voluminöse Vakuumkammer aus Edelstahl, darin eine Vielzahl von Optiken und Komponenten. Zeil zeigt auf ein Element, das an einen übergroßen Rasierspiegel erin- nert. „Er bündelt die Laserpulse auf die Folie“, beschreibt der Physiker. „Die Protonen werden dann senkrecht zur Folien- rückseite beschleunigt.“ PROTONENTHERAPIE: An der Universitäts Protonen Therapie Dresden (UPTD) werden die geladenen Teilchen im Zyklotron (r.; blau) beschleunigt und im Strahlkanal transportiert, wo schwere Elektromagnete (gelb) sie auf ihrer Bahn halten. Ein Teil des Protonenstrahls wird in eine Experimentierhalle abgelenkt. Ein zweiter Kanal führt zur sogenannten Gantry (l.; blau), einer drehbaren Stahlkonstruktion, in deren Mitte sich der Behandlungsplatz für die Patienten befindet. Schema: OncoRay

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