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Kompakte Protonenkanonen

Atome mit Laserpulsen zerlegt: Experimente auf dem Labortisch

Von Rainer Scharf

In der Laserphysik ist eine Sekunde fast eine Ewigkeit. Die Lichtpulse, die von modernen Lasergeräten erzeugt werden, dauern nur noch einige billiardstel Sekunden (Femtosekunden). In dieser Zeit legt das Licht eine Strecke von gerade mal einem hundertstel Millimeter zurück. Trifft ein solcher Laserpuls auf ein lichtabsorbierendes Material, so gibt er eine Leistung von mehreren Terawatt ab, wenn auch nur für einen kurzen Moment. Daß man auf diese Weise mit vergleichsweise geringem Aufwand äußerst energiereiche Protonen und Neutronen erzeugen kann, die sich etwa in der Medizin nutzen lassen, haben Wissenschaftler des Max-Born-Instituts demonstriert.

In ihrem Experiment richteten die Forscher um Matthias Schnürer die Lichtpulse eines Titan-Saphir-Lasers auf winzige Wassertröpfchen, die als feiner Strahl von einer Düse erzeugt wurden (Appl. Phys. Lett. 82, 3354). Der Brennfleck, auf den der Strahl gebündelt wurde, hatte einen Durchmesser von ungefähr fünfzehn Mikrometern und war damit etwa so groß wie ein einzelnes Tröpfchen. Zehn Lichtpulse gab der Laser in der Sekunde ab. Traf ein Puls ein Tröpfchen, so zerriß er die Moleküle und Atome augenblicklich in ihre Bestandteile, und es entstand ein extrem heißes Plasma aus Ionen und Elektronen.

Die leichteren Elektronen versuchten, dem "Inferno" zu entkommen, wurden aber von der elektrischen Anziehungskraft der positiv geladenen Ionen zurückgehalten. Es bildete sich eine elektrische Doppelschicht, in der negative und positive Ladungen voneinander getrennt waren. Darin herrschte ein äußerst starkes elektrisches Feld, das die Ionen darunter Protonen und bis zu siebenfach geladene Sauerstoffionen beschleunigte und aus dem Plasmatropfen herausschleuderte. Als die Forscher die Bewegungsenergie der Ionen vermaßen, erlebten sie eine Überraschung. Es stellte sich heraus, daß die Teilchen eine Energie von rund sechs Megaelektronenvolt hatten eine Energie, die gewöhnlich nur mit großen Teilchenbeschleunigern erreicht werden kann.

Mittlerweile werden in Europa, Japan und den Vereinigten Staaten auch gewaltige Lasersysteme, die eine ganze Laborhalle in Anspruch nehmen, dazu verwendet, energiereiche Protonen zu erzeugen. Die Experimente am Max-Born-lnstitut haben jetzt aber gezeigt, daß das schon mit Lasern, die auf einen Labortisch passen, möglich ist, wenn die Dauer der Lichtpulse nur kurz genug ist. Dadurch ließen sich nun kompakte Protonenkanonen herstellen, für die es bereits großen Bedarf gibt.

Energiereiche Protonen finden unter anderem in der Medizin Verwendung, etwa zur Herstellung bestimmter Radionuklide, die für diagnostische oder therapeutische Zwecke benötigt werden. Dazu richtet man üblicherweise einen Protonenstrahl auf Atomkerne, die sich mit der zugeführten Energie in die gewünschten Nuklide verwandeln. Die Teilchen lassen sich auch direkt in der Krebstherapie nutzen. Da sie ihre Energie in einer bestimmten Tiefe im Körpergewebe abgeben, kann man gezielt Tumoren vernichten und gesundes Gewebe schonen. Allerdings müssen die Teilchen dafür Energien von fünfzig und mehr Megaelektronenvolt haben, die man mit dem Laserverfahren noch nicht erreicht. Die Berliner Forscher sind aber zuversichtlich, daß ihnen das gelingen wird. Sie wollen dazu die Blitze ihres Lasers nicht auf Wassertröpfchen, sondern auf Folien aus wasserstoffhaltigem Material richten.

Außer Protonen und Ionen kann man durch Laserbeschuß auch energiereiche Neutronen erzeugen, mit denen sich zum Beispiel biologische Proben untersuchen lassen. Allerdings muß man dazu erst eine Kernreaktion in Gang setzen. Die Forscher vom Max-Born-lnstitut und ihre Kollegen vom Hahn-Meitner-lnstitut in Berlin haben ihr Experiment deshalb mit Tröpfchen aus schwerem, deuteriumhaltigem Wasser wiederholt. Wurde ein Tröpfchen von einem Laserpuls getroffen, erhielten die Deuteriumkerne so viel Energie, daß sie miteinander verschmolzen. Dabei entstanden jeweils ein Neutron und ein leichter Heliumkern. 

Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 2.6.2003, Nr. 126 / Seite 34

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