Forschungsbericht 2013 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Teilchenbeschleunigung mit Licht

Autoren
Schreiber, Jörg
Abteilungen
MPG-Forschungsgruppe „Laser-Ionenbeschleunigung“
Zusammenfassung
Energiereiche Teilchen wie z. B. Ionen spielen in vielen ganz verschiedenen Prozessen eine überaus wichtige Rolle. Im Labor für Attosekundenphysik erforschen Physiker die Ionenbeschleunigung mit hochintensiven Laserimpulsen. Ihr Ziel ist es unter anderem, diese noch junge Technologie hinsichtlich ihrer Anwendung und Effizienz in der Ionentherapie von Tumoren zu evaluieren.

Die höchsten Intensitäten im Labor

Licht ist einen elektromagnetische Welle – anders ausgedrückt: es handelt sich dabei um aneinander gekoppelte schwingende elektrische und magnetische Felder, deren periodische Änderungen sich im Raum ausbreiten. Es liegt damit in der Natur von Lichtwellen, geladene Teilchen beschleunigen zu können. Genau dieser Effekt ist auch der Grund dafür, dass wir uns in einem Spiegel sehen können: Hier oszillieren Elektronen im transversalen elektrischen Feld des Lichtes. Diese Oszillation führt wiederum zur Abstrahlung von Licht, die wir als Reflexion wahrnehmen.

Abb. 1: Blick in die High-field (HF) Experimentierkammer am MPQ zur Untersuchung der Ionenbeschleunigung mit dem ATLAS-Lasersystem. Der Laserimpuls wird vom oberen Spiegel nach unten auf den 90 Grad Off-Axis Parabelspiegel geleitet und in die Mitte der Kammer fokussiert. Das Mikroskopobjektiv rechts im Bild dient zur Abbildung des Laserfokus und zur mikrometerpräzisen Positionierung des Targets mithilfe der motorisierten Verfahrtische. Im Hintergrund rechts sieht man das Permanentmagnet-Dipolspektrometer zur Bestimmung der Energieverteilung der Ionen.

Neben dem elektrischen Feld, in dem die Elektronen transversal schwingen, wirkt aber im Allgemeinen auch eine Kraft in Ausbreitungsrichtung des Lichtes aufgrund des Magnetfeldes. Im Fall des Spiegels nennt man diesen Effekt „Strahlungsdruck“. Im alltäglichen Leben, z. B. bei einem Spaziergang an einem sonnigen Tag, ist diese Kraft kaum zu spüren, denn die Oszillationsgeschwindigkeit ist viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. Der Strahlungsdruck wäre allerdings dominant, wenn man das Sonnenlicht mit einer Linse von der Fläche der iberischen Halbinsel auf einen Quadratmillimeter fokussieren würde, was nicht nur aus den offensichtlichen technischen Gründen unmöglich ist. Die Intensität des Lichtes in dem nur millimetergroßen Brennpunkt wäre in diesem Beispiel 1019 W/cm2. Das liegt weit über der Schwelle von 1018 W/cm2, die bei einer Wellenlänge von einem Mikrometer ausreicht, um Elektronen innerhalb einer halben Schwingungsperiode auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Seit der Erfindung und Realisierung der Chirped-Pulse-Amplification Technik (CPA, [1]) stehen solch immense Lichtintensitäten im Labor zur Verfügung. Der Advanced Titanium-Sapphire-Laser (ATLAS) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) konnte bereits bis zu 2 Joule in 20 Femtosekunden (1 fs = 10-15 s), also eine Spitzenleistung von 100 TW, liefern. Abbildung 1 zeigt die finale Optik, einen Parabelspiegel in der evakuierten Experimentierkammer, der diese Leistung auf einen Brennpunkt von nur drei Mikrometern Durchmesser und damit einer Spitzenintensität von nahezu 1020 W/cm2 fokussiert. Doch selbst mit solch hohen Intensitäten bleiben die schweren Ionen fast in Ruhe. Um z. B. Protonen direkt mit dem Laser auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wäre eine Intensität von 18362·1018 = 3,4·1024 W/cm2 notwendig.

Effiziente Ionenbeschleunigung mit dem Laser

Auch die starken Felder in den Hochintensitätslaserpulsen vermögen die schweren Ionen also nicht direkt zu beschleunigen. Bestrahlt man aber eine dünne Folie damit, dann werden die Elektronen durch den immensen Lichtdruck durch die Folie gedrängt, während die schweren Ionen viel zu träge sind um den Pulsen direkt zu folgen. Dadurch findet innerhalb der Folie eine Ladungstrennung statt, sodass sich für die Dauer des Laserpulses ein elektrisches Feld aufbaut, das Werte von der gleichen Größenordnung wie das Laserfeld selbst erreichen kann, also 2,7 Megavolt pro Mikrometer für eine Intensität von 1018 W/cm2. Ein Proton würde in diesem Feld eine Beschleunigung von 2,6·1020 m/s2, das 2,6·1019-fache der Erdbeschleunigung erfahren, d. h. in 20 Femtosekunden auf 2% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, und das über eine Strecke von nur 50 Nanometern (1 nm = 10-9 m).

Die Möglichkeiten der Ionenbeschleunigung werden durch die komplizierte Dynamik der Elektronen bestimmt. Abhängig von ihrer Phase bezüglich des Laserpulses erstreckt sich deren Energieverteilung von wenigen Elektronenvolt bis zu einigen Millionen Elektronenvolt (MeV). Wenn die „heißen“ Elektronen auf der Rückseite der Folie in das Vakuum austreten, erzeugen sie an der Oberfläche hohe Felder, sehr ähnlich dem Spiegelladungseffekt [2]. Der Großteil der Elektronen bleibt so an die Folie gebunden und formt eine negative Ladungswolke. Ionen an der Oberfläche werden senkrecht zu dieser beschleunigt, woraus sich der Name Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) ergibt. Die Feldstärke unterscheidet sich von Ort zu Ort und ändert sich zudem im Laufe der Zeit. Daher ist die Energieverteilung der Ionen typischerweise breit, die maximale erreichbare Energie liegt im MeV-Bereich.

Abb. 2: Schematischer Aufbau des Experimentes zur Zellbestrahlung mit laserbeschleunigten Ionenimpulsen. Die an der DLC-Folie erzeugten Protonen werden durch die Miniaturquadrupole kollimiert. Aufgrund der Chromatizität dieser magnetischen Linse wird das breite Energiespektrum (blau) monochromatisiert (rot). Der Dipolmagnet lenkt die Protonen nach unten ab, worauf sie durch das Kapton-Fenster aus der Vakuumkammer austreten und den Zellhalter durchqueren, bevor ihre räumliche Verteilung auf dem strahlenempfindlichen Film nachgewiesen wird.

Um die elektrischen Felder für die Beschleunigung der Ionen zu optimieren, muss also die Dynamik der Elektronen kontrolliert werden, z. B. durch das Laserfeld selbst. Dafür wird die Foliendicke auf einige Nanometer reduziert, sodass der Laser praktisch alle Elektronen herausdrückt. Am effizientesten funktioniert diese Methode, wenn sich die abstoßende Kraft des Lichtdrucks und die anziehende Kraft der positiv geladenen Ionen aufheben. Unter diesen Bedingungen kann die höchste Beschleunigungsspannung erzeugt werden. Für eine Intensität von 5·1019 W/cm2 und eine vollständig ionisierte, diamantartige Kohlenstofffolie mit einer Dichte von 2,7 g/cm3 ergibt sich daraus eine optimale Foliendicke von nur 5 Nanometern [3]. Abbildung 2 zeigt einen Targethalter, der mit einer Vielzahl solcher dünnen, aus diamant-artigem Kohlenstoff (diamond like carbon, DLC) bestehenden, DLC-Folien bestückt ist.

Die Konversion von Laserenergie in kinetische Energie der Ionen ist desto effizienter, je schneller sich die Folie aufgrund des Lichtdrucks bewegt, für nahezu Lichtgeschwindigkeit erwartet man eine Effizienz von 100 Prozent [4]. Davon ist man heute noch ein Stück weit entfernt. Ansätze dieses hocheffizienten Prozesses konnten jedoch schon jetzt in Experimenten nachgewiesen werden [3] und lieferten die Basis für das im Folgenden beschriebene strahlenbiologische Experiment, welches 2011 mithilfe des ATLAS-Lasersystems am MPQ durchgeführt wurde. Diese Arbeiten erfolgten im Rahmen des Exzellenz-Clusters „Munich Centre for Advanced Photonics (MAP)“, in Zusammenarbeit mit Medizinern, Biologen und Physikern von MPQ, LMU und TUM sowie der Universität der Bundeswehr.

Zellschädigung mit höchsten Dosisraten

Geladene Teilchen wie Protonen oder Ionen treten in Materie vorrangig mit den Elektronen in Wechselwirkung. Die sogenannte „Dosis“ ist ein Maß für die absorbierte Energie im Material und wird in Gray (J/kg) gemessen. Bei einer Dosis von einigen Gray wird die DNA im Zellkern mit großer Wahrscheinlichkeit derart geschädigt, dass es zu Doppelstrangbrüchen kommt und sich die Zelle nicht mehr teilen kann. Genau dieser Effekt wird in der Strahlentherapie ausgenutzt, um Tumore zu behandeln.

In der Krebstherapie besteht der große Vorteil von Ionen gegenüber herkömmlicher Röntgenstrahlung darin, dass sie ihre Energie besonders effizient am Ende ihres Weges, wenn sie langsam geworden sind, an die Zellen abgeben. Die Länge des Weges, den die Ionen im Gewebe zurücklegen, hängt von der Masse des Ions und seiner Energie ab. Auf diese Weise lässt sich die Dosis genau auf die gewünschte Tiefe, d. h. den Tumor fokussieren, wodurch gesundes Gewebes vor und hinter dem Tumor geschont wird. Für eine effektive und vielseitige Strahlentherapie werden Protonen oder Kohlenstoffionen mit Energien von bis zu 200 MeV bzw. 400 MeV/u benötigt. Dies wird derzeit mit konventionellen Zyklotrons und Synchrotrons realisiert und findet schon heute in der Tumortherapie Anwendung [5]. Speziell die Synchrotrons sind in ihrem Betrieb und Platzbedarf aufwendig und in kleinen Kliniken kaum einsetzbar. Hinzu kommt eine unter Umständen notwendige 600 Tonnen schwere Gantry, die es erlaubt, den fast relativistischen Ionenstrahl mit sub-Millimeter Präzision um 360° um den Patienten zu bewegen.

Diese Tatsachen motivieren die Forscher, für die Beschleunigung von Ionen hochintensive Laserpulse einzusetzen. Die Eigenschaften der laserbeschleunigten Ionen unterscheiden sich allerdings drastisch von den konventionell beschleunigten, vor allem in ihrer zeitlichen Struktur. Kurz hinter dem Target hat der Ionenimpuls eine Dauer von weniger als einer Pikosekunde. Selbst nach der Energiefilterung und Refokussierung liegt die Pulsdauer noch im Bereich von Nanosekunden. Das 2011 durchgeführte, strahlenbiologische Experiment am MPQ hatte das Ziel, mögliche Effekte dieser gepulsten Ionenstrahlung zu identifizieren.

Abb. 3: Das Energiespektrum der Protonen ist um 5,2 MeV zentriert, bevor sie die Zellen durchlaufen. Ihre räumliche (Dosis-)Verteilung wird hinter den Zellen gemessen (a) und betrug bis zu 7 Gray in einem einzigen Schuss. In dem mikroskopischen Bild der bestrahlten Zellen (b) werden die violetten Punkte gezählt und geben Auskunft über die Anzahl der Doppelstrangbrüche pro Zelle, die mit der Dosis am jeweiligen Ort korrelieren.

Zu diesem Zweck wurden dünne DLC-Folien (5 bis 40 nm) mit ATLAS-Laserpulsen bei Intensitäten von 8·1019 W/cm2 bestrahlt. Die im DLC eingelagerten Protonen (≈10%) wurden dabei auf bis zu 8 MeV beschleunigt, mit der für den Laser typischen breiten Energieverteilung. In einem strahlenbiologischen Experiment wurden lebende, menschliche Tumorzellen diesem Protonenstrahl ausgesetzt. Direkt hinter den Zellen wurde die Dosisverteilung jedes einzelnen Protonenpulses mit einem strahlenempfindlichen Film gemessen (Abb. 3). Durch spezielle Färbungs- und Mikroskopiertechniken an den Zellen konnte danach die Zahl der induzierten DNA-Doppelstrangbrüche je Zelle gezählt und mit der absorbierten Dosis korreliert werden. Im Vergleich mit Zellbestrahlungen an einem konventionellen Protonenbeschleuniger ergaben sich keine biologischen Unterschiede, die auf die kurze Dauer der Protonpulse im Laserexperiment zurückzuführen wären [6].

Zukünftige Entwicklungen

An erster Stelle in der aktuellen Forschung steht die Optimierung der Ionenbeschleunigung hinsichtlich der erreichbaren Maximalenergie. Modelle und numerische Simulationen versprechen Protonenenergien von 100 bis 200 MeV mit Kurzpuls-Petawatt Lasersystemen, die derzeit aufgebaut werden, z. B. im Center for Advance Laser Applications (CALA) hier in Garching. Das beschriebene proof-of-principle Experiment stellt einen wichtigen Meilenstein in der Forschung an lasergetriebenen Ionenquellen dar und reflektiert den Erfolg der Zusammenarbeit von Physikern, Biologen und Medizinern in der hiesigen Forschungslandschaft. Die gewonnenen Erfahrungen bieten eine gute Grundlage für künftige Experimente, in denen die außerordentlichen Eigenschaften der laserbeschleunigten Ionen Anwendung finden werden. Durch die Optimierung der Aufbauten und die Weiterentwicklung der Lasersysteme werden vergleichbare, biologisch relevante Dosen von einigen Gray innerhalb eines noch kürzeren Zeitintervalls, vielleicht sogar innerhalb einer Pikosekunde, für Experimente zur Verfügung stehen. Darüber hinaus bieten Lasersysteme die Möglichkeit, ioneninduzierte physikalische und chemische Prozesse mit synchronisierten Femtosekunden-Licht-, Röntgen- oder Elektronen-Pulsen zeitaufgelöst zu studieren. Die Planung solch komplexer Pump-Probe Experimente ist ein zentraler Punkt der aktuellen Forschung und verspricht interessante und neuartige Erkenntnisse in diesem weitestgehend unerforschten Gebiet.

In Zusammenarbeit mit:

Jan Wilkens, Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München

Literaturhinweise

1.
Karsch, S.
Attosekundenphysik
MPG-Jahresbericht (2010)
2.
Schreiber, J.; Bell, F.; Grüner, F.; Schramm, U.; Geissler, M.; Schnürer, M.; Ter-Avetisyan, S.; Hegelich, B. M.; Cobble, J.; Brambrink, E.; Fuchs, J.; Audebert, P.; Habs, D
Analytical model for ion acceleration by high-intensity laser pulses
Physical Review Letters 97, 045005 (2006)
3.
Henig, A.; Steinke, S.; Schnürer, M. Sokollik, T.; Hörlein, R.; Kiefer, D.; Jung, D.; Schreiber, J.; Hegelich, B. M.; Yan, X. Q.; Meyer-ter-Vehn, J.; Tajima, T.; Nickles, P. V.; Sandner, W.; Habs, D.
Radiation-pressure acceleration of ion beams driven by circularly polarized laser pulses
Physical Review Letters 103, 245003 (2009)
4.
Esirkepov, T.; Borghesi, M.; Bulanov, S. V.; Mourou, G.; Tajima, T.
Highly efficient relativistic-ion generation in the laser-piston regime
Physical Review Letters 92, 175003 (2004)
5.
Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT)
Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT)
http://www.klinikum.uni-heidelberg.de/Welcome.113005.0.html
6.
Bin, J.; Allinger, K.; Assmann, W. ; Dollinger, G.; Drexler, G. A.; Friedl, A.; Habs, D.; Hilz, P.; Hoerlein, R.; Humble, N.; Karsch, S.; Khrennikov, K.; Kiefer, D.; Krausz, F.; Ma, W.; Michalski, D.; Molls, M.; Raith, S.; Reinhardt, S.; Röper, B.; Schmid, T. E.; Tajima, T.; Wenz, J.; Zlobinskaya, O.; Schreiber, J.; Wilkens, J. J.
A laser-driven nanosecond proton source for radiobiological studies
Applied Physics Letters 101, 243701 (2012)
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