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Dr. Karl Zeil
Junior Group Leader Laser Ion Acceleration
Laser Particle Acceleration
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Dr. Stephan Kraft
Scientist laser driven ion acceleration
s.kraftAthzdr.de
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Prof. Dr. Ulrich Schramm
Director Institute for Radiation Physics and Head Laser Particle Acceleration Division
u.schrammAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2471
Fax: +49 351 260 - 12471

Eye catcher

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. 

Bachelor-, Master- und Doktorarbeiten zu vergeben!!

Untersuchung der Laser-Plasma Wechselwirkung

Laser-Plasma-WechselwirkungDer erste Schritt zur Kontrolle der laser-plasma getriebenen Ionenstrahlen ist ein umfassendes Verständnis der Wechselwirkung zwischen Laser und Plasma. In unseren Experimenten fokussieren wir dazu Laserpulse des Draco Lasers auf Targets und erreichen so relativistische Intensitäten von bis zu 1021 W/cm2, womit sich im Plasma Beschleunigungsfelder im Bereich von MV/µm erzeugen lassen. Um die Prozesse im Innern der heißen Plasmen besser verstehen zu können, nutzen wir verschiedene zusätzliche zum hochintensiven Laserpuls synchronisierte Abfragepulse. Je nachdem ob Oberflächen- oder Volumeneffekte untersucht werden sollen, liegen sie im optischen Wellenlängenbereich oder im Röntgenbereich. Dennoch lässt sich die hochkomplexe Teilchendynamik der Laser-Plasma-Wechselwirkung oft nur mit aufwändigen Computersimulationen nachstellen und so im Detail verstehen. Zusammen mit der Gruppe für computergestützte Strahlenphysik arbeiten wir daran, den Einfluss verschiedenster Experimentparameter zu untersuchen, neue Beschleunigungsmechanismen zu identifizieren und später einmal sogar die Ergebnisse der Experimente vorhersagen zu können.

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

Experimental observation of transverse modulations in laser-driven proton beams, J. Metzkes et al., New Journal of Physics 16 (2014)

Reflective optical probing of laser-driven plasmas at the rear surface of solid targets, J. Metzkes et al., Plasma Physics and Controlled Fusion 58 (2016)

Das Target ist alles!

Das Target ist alles!

Neben der Kontrolle der Laserparameter ist die Wahl des Targets ebenfalls von entscheidender Bedeutung für die Qualität der im Plasma beschleunigten Teilchenstrahlen. So können die Konversion der Laserenergie in Teilchenenergie, als auch andere grundlegende Eigenschaften, wie die räumliche Verteilung der kollektiven Felder durch Targetzusammensetzung und -geometrie beeinflusst werden. In Zusammenarbeit mit teils internationalen Partnern führen wir diverse Experimente mit unterschiedlichsten Targettypen, wie dünnen Folien mit Dicken im Nanometerbereich (Ohio State University) oder speziellen nanostrukturierten Oberflächen (Politecnico di Milano) sowie gefrorenen Wasserstoffstrahlen als sich selbst erneuernde Targets (SLAC, XFEL, CEA). Gemeinsam mit dem Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung entwickeln wir winzige dreidimensionale Targetsrukturen im Mikrometerbereich, welche mit modernen Halbleitertechniken hergestellt werden.

Robust energy enhancement of ultrashort pulse laser accelerated protons from reduced mass targets, Karl Zeil et al., Plasma Physics and Controlled Fusion 56 (2014)

Protonenstrahlen für die Krebstherapie

Laserprotonentherapie

Vielen Medizinern gilt die Teilchentherapie als wirksamer und schonender als die konventionelle Strahlentherapie mit Röntgenlicht. Das Prinzip: Geladene Teilchen – zumeist Protonen, aber auch Kohlenstoffionen – werden auf hohe Energien beschleunigt und auf den Tumor geschossen. Sie dringen tief ins Gewebe ein und verlieren den Großteil ihrer Energie in einer bestimmten Tiefe, welche von ihrer ursprünglichen Geschwindigkeit abhängt. Damit kommt man dem Ziel einer jeden Strahlentherapie näher: maximale Dosis im Tumor, minimale Dosis im umliegenden gesunden Gewebe.

Kompakte Laserplasmabeschleuniger könnten dabei eine interessante Alternative zu den heutigen konventionellen Beschleunigeranlagen darstellen. Neben den für die Gewebedurchstrahlung ausreichend hohen Protonenenergien muss dabei eine sehr hohe Stabilität der Strahleigenschaften erreicht werden. Um die Wirkung der intensiv gepulsten Strahlung auf biologische Systeme zu charakterisieren, führen wir gemeinsam mit OncoRay (Projekt OnCOOPtics) interdisziplinäre strahlenbiologische Studien durch. Am Beispiel der dosiskontrollierten Bestrahlung lebender Zellen oder Gewebe kann die prinzipielle Eignung der Laserplasmaquelle demonstriert werden.

Dabei von ganz entscheidender Bedeutung ist ein geeigneter Strahltransport. Der intensive laserbeschleunigte Ionenpuls weist in der Regel eine breite Energieverteilung sowie einen relativ großen energieabhängigen Strahlöffnungswinkel (ca. 20°) auf. In Zusammenarbeit mit dem Hochfeld-Magnetlabor Dresden, OncoRay und der LIGHT Kollaboration untersuchen wir kompakte gepulste Magnetlinsen zur Ionenstrahlkollimierung und Energieselektion um später eine gepulste laserplasmagetriebene Ionenstrahlführung zu entwickeln.

Dose controlled irradiation of cancer cells with laser accelerated proton pulses, K. Zeil et al., Applied Physics B 110, 437 (2013)

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)

A compact solution for ion beam therapy with laser accelerated Protons, Umar Masood et al., Applied Physics B 117 (2014)


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