Anwendungs­orien­tier­te Laser-Teilchenbeschleuni­gung

Unsere Mission

Unser Ziel ist es, einen stabilen, anwendungsreifen Laser-Teilchenbeschleuniger auf Basis eines leistungsstarken Petawatt-Lasers zu realisieren. Dabei beschleunigen wir Ionenstrahlen auf extrem kurzen Distanzen und arbeiten daran, diese Technologie zuverlässig und reproduzierbar nutzbar zu machen.

Neben der Beschleunigung selbst befassen wir uns intensiv mit dem kontrollierten Strahltransport sowie mit maßgeschneiderten Detektor- und Dosimetriesystemen. Gemeinsam bilden diese Komponenten ein integriertes Gesamtsystem für anspruchsvolle Anwendungsexperimente.

Als Schnittstelle zwischen Physik, Technologie und Anwendung arbeiten wir eng mit internen und externen Partnern zusammen und heißen engagierte Studierende jederzeit willkommen.

Wir bieten fortlaufend Themen für Bachelor-, Master- und Promotionsarbeiten sowie Stellen für studentische Hilfskräfte an.

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Unsere Forschungsschwerpunkte

Das untenstehende Bild illustriert unsere Forschungsschwerpunkte. Weitere Informationen erscheinen beim Überfahren mit der Maus.

• Laser-Teilchenbeschleunigung

Bei der lasergetriebenen Beschleunigung von Ionen entstehen in einem Plasma auf extrem kurzen Distanzen (~µm) außergewöhnlich hohe Beschleunigungsfelder (~MV/µm). Dadurch lassen sich Teilchenbeschleuniger prinzipiell sehr kompakt realisieren. Gleichzeitig entstehen ultrakurze, intensiv gepulste Ionenstrahlen mit einzigartigen Eigenschaften, die neue experimentelle Ansätze ermöglichen. Laser-Ionenbeschleuniger gelten daher als vielversprechende Technologie für Anwendungen in der Materialforschung, der Kernphysik und perspektivisch auch in der Medizin.

Gleichzeitig bringt diese Technologie erhebliche Herausforderungen mit sich. Laserbeschleunigte Ionenstrahlen weisen typischerweise große Energie- und Winkelverteilungen sowie starke Puls-zu-Puls-Schwankungen auf. Für Anwendungen sind jedoch stabile, reproduzierbare und wohldefinierte Strahlparameter erforderlich. Hinzu kommen Anforderungen an Effizienz, Wiederholrate und Langzeitstabilität der Lasersysteme.

Unser Ziel ist es, den Übergang von einem faszinierenden physikalischen Demonstrator zu einem zuverlässigen, anwendungsreifen Beschleuniger zu ermöglichen. Dafür ist ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden Beschleunigungsprozesse entscheidend. Wir arbeiten hierzu eng mit den Arbeitsgruppen für Laser-Ionenbeschleunigung und Computergestützte Strahlenphysik zusammen. Der Hochintensitätslaser, der unsere Experimente antreibt, ist der am HZDR entwickelte PEnELOPE-Laser – ein vollständig direkt diodengepumptes Lasersystem mit besonders hoher Effizienz.

• Strahltransport mit Hochfeldmagneten

Die Integration eines lasergetriebenen Ionenbeschleunigers in ein robustes und alltagstaugliches Gesamtsystem stellt hohe Anforderungen an den Strahltransport. Die außergewöhnlichen Strahlparameter erfordern dabei ein Umdenken in der Strahlführung.

Wir adaptieren etablierte Technologien von unserem Hochfeld-Magnetlabor und nutzen maßgeschneiderte gepulste Hochfeldmagnete, um die Teilchenstrahlen einzufangen, eine Energieauswahl vorzunehmen und sie gezielt zum Bestrahlungsort zu transportieren. Im Fokus stehen dabei nicht Feldstärkerekorde, sondern die zuverlässige Anwendbarkeit im anspruchsvollen Laser-Plasma-Umfeld.

Die Magnetspulen werden durch kompakte Hochstrom-Pulsgeneratoren betrieben. Diese Kombination aus Pulsgenerator und Magnet hat sich in unseren Laboren bereits seit über einem Jahrzehnt bewährt. Aktuell arbeiten wir an der nächsten Generation dieser Technologie mit besonderem Fokus auf repetitiven Betrieb. Gemeinsam mit der Professur für Leistungselektronik der TU Dresden haben wir den weltweit ersten Pulsstromtreiber für Hochfeldmagnete entwickelt, der mit einer Wiederholrate von 1 Hz betrieben werden kann.

• Detektorentwicklung und Dosimetrie

Selbst nach erfolgreichem Strahleinfang und Transport bleiben die Parameter laserbeschleunigter Teilchenstrahlen so ungewöhnlich, dass konventionelle Detektorsysteme häufig an ihre Grenzen stoßen. Aus diesem Grund entwickeln wir eine Vielzahl spezialisierter Detektoren für unsere lasergetriebenen Strahlen.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf Online-Detektoren, die eine unmittelbare Messung der Strahlparameter während des Experiments erlauben. Ziel ist es, den Strahl bereits nahe der Quelle zu charakterisieren, seinen Transport kontinuierlich zu überwachen und am Bestrahlungsort eine hochpräzise Dosimetrie bereitzustellen.

Unsere Detektoren basieren hauptsächlich auf Szintillatoren, also Materialien, die unter Teilchenbestrahlung Licht emittieren. Ergänzend kommen auch Diamantdetektoren zum Einsatz, die als Flugzeit-Spektrometer verwendet werden.

• Anwendungsstudien

Das zentrale Ziel unserer Forschung ist es, die außergewöhnlichen Eigenschaften laserbeschleunigter Teilchenstrahlen für konkrete Anwendungen nutzbar zu machen. Ein zentraler Schwerpunkt liegt dabei auf der strahlenbasierten Krebsforschung.

Dabei ist der sogenannte FLASH-Effekt von besonderem Interesse. Dieser beschreibt die Beobachtung, dass gesundes Gewebe bei Bestrahlung mit extrem hohen Dosisleistungen besser geschont werden kann, während Tumorgewebe weiterhin effektiv geschädigt wird. Die Therapiedosis wird dabei innerhalb sehr kurzer Zeit appliziert. Obwohl erste Ergebnisse vielversprechend sind, sind die zugrunde liegenden biologischen Mechanismen bislang noch nicht vollständig verstanden.

Die außergewöhnlich hohen instantanen Dosisleistungen lasergetriebener Teilchenstrahlen bieten eine einzigartige Möglichkeit, diese Prozesse systematisch zu untersuchen. Entsprechende radiobiologische Experimente führen wir in enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Radiobiologie bei ultrahohen Dosisleistungen sowie mit dem Nationalen Zentrum für Strahlenforschung in der Onkologie – OncoRay durch.

Darüber hinaus umfassen unsere Forschungsaktivitäten weitere Themenfelder, darunter lasergetriebene Neutronenquellen für kernphysikalische Experimente, laserbasierte Trägheitsfusion sowie neue Ansätze in der Detektorphysik.

Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung unserer Technologien und einen zunehmenden Fokus auf Automatisierung schaffen wir die Voraussetzungen für künftig noch flexiblere und leistungsfähigere Anwendungsexperimente.

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Labore und Anlagen

• Labor für anwendungsorientierte Laser-Teilchenbeschleunigung

Der Aufbau des Labors für unsere anwendungsorientierten Experimente zur lasergetriebenen Teilchenbeschleunigung ist weitgehend abgeschlossen.

In diesem Labor untersuchen wir die Erzeugung und Kontrolle laserbeschleunigter Teilchenstrahlen sowie deren Einsatz in ersten Anwendungsexperimenten. Die Experimente finden in einer Vakuumkammer statt, in der Laser-Plasma-Wechselwirkungen unter kontrollierten Bedingungen untersucht werden können. Verschiedene Targetsysteme, Strahlführungsoptiken sowie Laser- und Teilchendiagnostiken ermöglichen dabei eine flexible Anpassung des experimentellen Aufbaus an unterschiedliche Forschungsfragen.

Ein besonderer Fokus liegt auf der Integration von Strahltransport, Diagnostik und Dosimetrie, um laserbeschleunigte Teilchenstrahlen möglichst vollständig zu charakterisieren und für weiterführende Experimente nutzbar zu machen. Durch die modulare Architektur des Labors lassen sich neue Komponenten und Diagnosesysteme kontinuierlich in den Experimentieraufbau integrieren.

Da sich das Labor noch im Aufbau befindet, haben Studierende die Möglichkeit, ein komplexes experimentelles Umfeld von Beginn an aktiv mitzugestalten – von praktischen Arbeiten an Aufbau und Diagnostik bis hin zu Beiträgen in Programmierung, Automatisierung und Steuerung.

• Entwicklungslabor für Pulsgeneratoren und Hochfeld-Magnete

Neben unseren Laserlaboren betreiben wir ein Entwicklungslabor für gepulste Hochfeldmagnete und die zugehörigen Hochstrom-Pulsgeneratoren.

In diesem Labor arbeiten wir an Experimenten, bei denen hohe Spannungen und extreme Ströme zusammentreffen: Unsere Systeme erreichen Spannungen von bis zu 24 kV, Ströme von etwa 20 kA und erzeugen gepulste Magnetfelder von bis zu 40 T. Solche Parameter stellen hohe Anforderungen an die mechanische Stabilität, elektrische Isolation und thermische Belastbarkeit der eingesetzten Komponenten.

Ein aktueller Schwerpunkt unserer Arbeiten liegt auf der Entwicklung von Magnetspulen, die über längere Zeiträume mit hoher Repetitionsrate (bis zu 1 Hz) betrieben werden können. Während klassische Hochfeldmagnete meist nur einzelne Pulse erzeugen, verfolgen wir das Ziel, robuste Spulendesigns zu entwickeln, die wiederholt betrieben werden können. Dazu werden insbesondere effiziente Kühlstrategien entwickelt und experimentell getestet.

Das Labor bietet Studierenden vielfältige technische Möglichkeiten, darunter Messaufgaben sowie Entwicklungsarbeiten an Pulsgeneratoren und Magnetaufbauten, ebenso wie die Programmierung von Steuerungssoftware für experimentelle Systeme.

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Team

Josefine Metzkes-Ng	Nachwuchsgruppenleiterin
Florian Kroll	Wissenschaftler, gepulster Strahltransport
Joshua Schilz	Doktorand, Detektorentwicklung und Charakterisierung

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Alumni

Maximilian Müller	Masterarbeit – Optimierung von experimentellen Protonenstrahlparametern anhand eines TangoControl-basierten Experimentaufbaus
Radka Štefaníková	Doktorarbeit – Investigating Electron Dynamics in Ultra-Short Relativistic Laser-Solid Interaction – Coming soon...
Angela Corvino	Masterarbeit – MiniSCIDOM: a scintillator-based tomograph for online reconstruction of millimeter-scale dose distributions
Marvin Reimold	Doktorarbeit – Beam monitoring and dosimetry for ultra-high dose rate radiobiology at laser-driven proton sources – Lesen →
Florian-Emanuel Brack	Doktorarbeit – Dose formation using a pulsed high-field solenoid beamline for radiobiological in vivo studies at a laser-driven proton source – Lesen →