16-05-2003
Handliche Protonenschleuder

Mit ultrakurzen Laserpulsen kann man Protonen auf Energien von mehreren Millionen Elektronenvolt bringen. Bisher musste man dazu gewaltige "Einzelschuss"-Laser benutzen. Doch es geht auch mit kleinen und kompakten Lasern, die zehnmal pro Sekunde feuern, wie man jetzt vom Max-Born-Institut (MBI) in Berlin hört.

Weniger als eine Nanosekunde dauern die Lichtblitze, die man heute mit gepulsten Lasern erzeugen kann. Wenn solch ein Puls eine Strahlungsenergie von einigen Joule enthält, die Pulsdauer aber nur einige Femtosekunden (10-15 s) beträgt, so entspricht das einer Leistung von mehreren Terawatt. Das ist tausendmal mehr als die Leistung eines großen Kernkraftwerks! Fokussiert man diese ultrakurzen Laserpulse auf eine Materialprobe, dann erreicht man eine Lichtintensität, von der die Atome augenblicklich zerrissen werden.

Matthias Schnürer und seine Kollegen haben für ihre Experimente im Höchstfeldlaser-Applikationslabor des MBI einen vergleichsweise handlichen Titan-Saphir-Laser benutzt. Der Laser gab in der Sekunde zehn infrarote Lichtpulse ab, die jeweils 35 Femtosekunden dauerten. Die Forscher bündelten das Laserlicht auf einen etwa 15 Mikrometer großen Brennfleck. Mit einer Düse erzeugten sie Wassertröpfchen, die ebenfalls rund 15 Mikrometer groß waren, und ließen sie durch den Laserfokus fallen.

Sobald ein Tröpfchen von einem der Laserpulse getroffen wurde, war die Hölle los. Es entstand dabei ein extrem heißes Plasma aus ungeordnet umher fliegenden Ionen und Elektronen. Die negativ geladenen, leicht beweglichen Elektronen versuchten, dem "Inferno" zu entkommen, wurden aber schließlich von den positiv geladenen Ionen zurückgehalten. Es bildet sich eine Doppelschicht, in der negative und positive Ladungen voneinander getrennt waren. In dieser Doppelschicht herrschte ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke von einigen Megavolt pro Mikrometer.

Die Ionen - Protonen und ein- bis siebenfach geladener Sauerstoff - wurden vom elektrischen Feld mitgerissen und zum Teil aus dem Plasma herausgeschleudert. Mit vier speziellen Thomson-Parabel-Spektrometern bestimmten die Forscher die Energien der Ionen für vier verschiedene Flugrichtungen. Die gemessenen Energien lagen bei rund 6 MeV, wobei die Ionen, die entgegen dem Laserstrahl aus dem Plasma herausflogen, die höchste Energie hatten. Die Effizienz des Laserverfahrens war überraschend groß: Einige Prozent der Laserenergie konnten auf die Ionen übertragen werden.

Die Experimente am Max-Born-Institut haben gezeigt, dass man Protonen hoher Energie auch schon mit Hilfe eines relativ kleinen Lasers herstellen kann, der ultrakurze Pulse abgibt. Mit solchen Protonen kann man zum Beispiel Plasmen "durchleuchten", wie sie in der Fusionsforschung erzeugt und studiert werden. Dazu braucht man allerdings einen Strahl von Protonen. Um ihn herzustellen, könnte man statt eines Wassertropfens eine wasserstoffhaltige Folie als Target benutzen. Wird die Folie vom Laserlicht getroffen, so fliegen die Protonen bevorzugt in eine Richtung davon.

Energiereiche Protonen finden auch in der Medizin Verwendung, etwa bei der Herstellung von Radionukliden oder in der Krebstherapie. Allerdings muss die Energie der Protonen für die Bestrahlung von Tumoren zwischen 50 und 100 MeV liegen. Die Forscher sind zuversichtlich, dass sich mit kompakten Lasern und geeigneten Targets auch solch hohe Protonenenergien erreichen lassen. Für diese Anwendungen könnten in nicht allzu ferner Zukunft "handliche" lasergetriebene Protonenquellen den bisher benutzten großen Teilchenbeschleunigern Konkurrenz machen. Es könnten sich aber auch ganz neue Anwendungen eröffnen.

Rainer Scharf

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