Laser-Heizung – Milliarden Grad heiße Elektronen in neuem Licht
Eine neue Klasse von Hochleistungslasern kann mit extrem intensiven, kurzen Laserpulsen sehr effektiv Teilchen wie Elektronen oder Ionen beschleunigen. Deshalb interessieren sich Forschergruppen weltweit für den Beschleunigungsprozess, bei dem ein Laserstrahl auf eine dünne Folie gelenkt wird, um Ionen von der Folienrückseite auf hohe Energien zu beschleunigen. In diesem Prozess vermitteln die vom Laser geheizten Elektronen in der Folie den Energieübertrag zwischen den Ionen und dem Laserpuls. Physiker im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) entwickelten nun ein neues theoretisches Modell, denn bisherige Modelle geben die Temperatur und die Dichte dieser heißen Elektronen nicht korrekt wider.
Trifft ein hochintensiver Laserpuls auf ein Ionen-Elektronen-Plasma (Ionen: orange, Elektronen: blau), werden Elektronen auf einige Milliarden Grad geheizt. Dies initiiert eine explosionsartige Expansion der Plasma-Ionen, welche dadurch auf hohe Energien beschleunigt werden. Im Hintergrund dargestellt ist die Verteilung der Elektronentemperatur während der Bestrahlung.
Als moderne Beschleunigertechnologie kommt die Teilchenbeschleunigung durch Licht mit erheblichen Vorteilen im Vergleich zu konventionellen Anlagen daher: die Beschleunigungsstrecke ist um Größenordnungen kürzer und die Kosten für solche Anlagen sind potentiell niedriger. So befindet sich derzeit auch am Universitätsklinikum in Dresden eine solche moderne Anlage zur Beschleunigung von Ionen im Bau, die gemeinsam von den Kooperationspartnern HZDR, Universitätsklinikum und TU Dresden zur Krebsforschung und -therapie genutzt werden soll. Erstmals wird hier neben einem konventionellen Ionenbeschleuniger der Prototyp eines Hochleistungslasers zum Einsatz kommen.
Neue Höchstleistungslaser wie derDRACO-Laserim Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf sind rund zehn- bis hundertfach so intensiv wie ihre Vorgänger, für welche die gängigen Formeln für Temperatur und Anzahl der heißen Elektronen mit den Experimenten noch mehr oder weniger gut übereinstimmten. Experiment und Berechnung klaffen jedoch für die neuen Laser auseinander, weshalb Thomas Kluge, Physiker in der Abteilung Laser-Teilchen-Beschleunigung des HZDR, zusammen mit Kollegen ein neues theoretisches Modell für die Laser-Elektronen-Wechselwirkung entwickelt hat. Die Elektronen spielen bei der Laser-Ionen-Beschleunigung die Rolle der Vermittler beim Energieübertrag vom Laser zu den Ionen, weshalb die exakte Kenntnis der heißen und dichten Elektronen von großer Bedeutung auch für die zukünftige Krebstherapie mit Ionen aus lasergetriebenen Anlagen ist.
Die bisherigen Modelle waren nicht in der Lage, die Eigenschaften der Elektronen insbesondere im äußerst interessanten Bereich sehr hoher Intensitäten – wie sie vom Hochleistungslaser DRACO und dem derzeit im Bau befindlichen Petawatt-Laser PENELOPE im HZDR erreicht werden – exakt vorherzusagen. Ausgehend von einer neuen Beschreibung der Verteilung der vom Laser beschleunigten Elektronen mit Hilfe der Relativitätstheorie konnten die Dresdner Wissenschaftler eine Gleichung angeben, mit deren Hilfe sich die Elektronenenergien exakt berechnen lassen.
“Die neuen Erkenntnisse erweitern Jahrzehnte alte Modelle und ermöglichen so zum einen die Erklärung bisheriger Messungen, zum anderen dienen sie dazu, zukünftige Experimente genau vorhersagen und optimieren zu können”, so Michael Bussmann, Leiter der Juniorgruppe “Computergestützte Strahlenphysik” im HZDR. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin „Physical Review Letters“ veröffentlicht und werden nun von den Dresdner Forschern auf weitere Beschleunigungsszenarien übertragen, um in Zukunft den klinischen Einsatz von Laserbeschleunigern zu ermöglichen.
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