05:22 23 Oktober 2018
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    Dekompressionskammer für Laserstrahlen-Experimente

    Mit Laserstrahlen gegen Tumore

    © Foto : ELI Beamlines
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    Mitarbeiter des Instituts für Laser- und Plasmatechnologien der Nationalen Universität für Nuklearforschung MEPhI haben zusammen mit Kollegen aus Deutschland und Tschechien eine neue Methode zur Erzeugung von ultrastarken quasistatischen elektrischen Feldern entwickelt, die zur Beschleunigung der Ionen in Laserplasma führen.

    Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit sind von großer Bedeutung für die Medizin, darunter die Protonentherapie – eine Methode zur Behandlung von onkologischen Erkrankungen. Ein wissenschaftlicher Artikel zu diesem Thema wurde in der angesehenen Fachzeitschrift “Scientific Reports” veröffentlicht.

    Bekannt ist, dass es drei Hauptmethoden zur Behandlung onkologischen Erkrankungen gibt – chirurgische Eingriffe, Chemotherapie und Radiotherapie. Bei Letzterem geht es um  eine ionisierende Bestrahlung, was nicht nur für den Tumor, sondern auch für das umgebende gesunde Gewebe zerstörerisch ist. Das führt zur Einschränkung der Kapazität der Gammastrahlen, die bei der Radiotherapie genutzt werden.

    In dieser Hinsicht ist es viel vorteilhafter, Protonen zu nutzen. Dank ihrer relativ großen Masse haben Protonen nur eine geringe querlaufende Streuung, ihre Länge ist sehr kurz. Deswegen kann ein Protonen-Bündel sehr präzise auf den Tumor fokussieren, ohne das umgebende gesunden Gewebe zu schädigen.

    Doch um ein Protonen-Bündel zu bekommen braucht man einen Beschleuniger der geladenen Teilchen. Das ist sehr kostspielige und viele Tonnen schwere Ausstattung. So ist z.B. Synchrozyklotron des Therapiezentrums Orsay (Frankreich) 900 Tonnen schwer. Deswegen wird an vielen Universitäten weltweit an alternativen Methoden zur Erzeugung von Bündeln der ultraschnellen geladenen Teilchen gearbeitet. Eine davon stützt sich auf der Nutzung von einem Laser-Beschleuniger.

    Die Laser-Beschleuniger der geladenen Teilchen sind deutlich kleiner und billiger als gewöhnliche Zyklotronen und Synchotronen, doch die Qualität der bekommenden Bündel reicht bislang für praktische Anwendung wegen der großen Streuung der Protonenenergie und der unzureichenden Kapazität nicht aus. Es begann ein wahres Rennen nach neuen Methoden der Laser-Beschleunigung – der Erhalt von Protonen-Bündeln mit der Energie von 100-200 MeV und einer Streuung von maximal einigen Prozenten würde eine neue Epoche in der Lasermedizin eröffnen.

    Laut MEPhI-Wissenschaftlern kann die von ihnen entwickelte Theorie bei der Ausarbeitung neuer Methoden der Laserbeschleunigung helfen. „Bei der Arbeit sagten wir theoretisch voraus und zeigten bei der Simulation einen auf den ersten Blick paradoxen Effekt – die Kraft der Strahlungsreibung, die die geladenen Teilchen beeinflusst, die Elektromagnet-Wellen ausstrahlen, kann deren Beschleunigung fördern“, sagte der Dozent des Lehrstuhls für Atomphysik von MEPhI, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts Extreme Light Infrastructure Beamlines (Tschechien), Jewgeni Gelfer.

    In einfachen mechanischen Systemen führen die Reibungskräfte immer zum Verlust der kinetischen Energie und Dämpfung der ordentlichen Bewegung. Die Kraft der Strahlungsreibung entsteht mit dem Pumpen der Energie des Außenfeldes (in diesem Fall — Laserfeldes) in die Energie der Quanten mit sehr hohen Frequenzen. Der Arbeitskörper, die für dieses Pumpen sorgt, ist ein Elektron, bei der Übertragung der Energie von einem Behälter in den anderen kann es sich sowohl verlangsamen, als auch beschleunigen.

    „Wir betrachteten die Verbreitung vom ultrastarken Laserimpuls in Plasma. In Elektromagnetfeldern mit einer Kapazität von mehreren Petawatt (1 Petawatt = 1015 Watt, zum Vergleich – die Kapazität des größten Stromkraftwerks der Welt ist 22 500 Megawatt, also etwa um das 50 000 fache weniger) strahlen Elektronen so intensiv aus, dass ihre Bewegung nicht nur von der Lorentzkraft, sondern auch von der Kraft der Strahlungsreibung bestimmt wird, die wegen des Rückschlags bei der Ausstrahlung entsteht. Die letztere kann sogar größer als die Lorentzkraft sein. Wir haben gezeigt, dass die Verlangsamung der Elektronen bei der Strahlungsreibung auf der Ebene, die senkrecht gegenüber der Richtung der Verbreitung des Laserstrahls ist, zu deren stärkeren Beschleunigung führt. Damit wird eine effektivere Teilung der Ladungen in Plasma und Aufschaukelung des dabei entstehenden axialen elektrischen Feldes gefördert. Gerade dieses Feld löst die Ionenbeschleunigung aus, weshalb das von uns erhaltene Ergebnis beim Erhalt der Ionenbündel von höherer Qualität helfen kann“, sagte Jewgeni Gelfer.

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    Tags:
    Forschung, Entdeckung, Medizin, Methoden, Laser, Behandlung, Krebs, Nationale Universität für Nuklearforschung (MEPhi), Tschechien, Deutschland, Russland