Montag, 23. Mai 2022

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Von Lichtstrahlen auf Trab gebracht

Physik. - Mit Laserstrahlen kann man Teilchen so stark und gleichmäßig beschleunigen, dass ein Strahl aus etwa gleich schnellen Partikeln entsteht. Das hat ein internationales Physiker-Team unter Leitung von Wissenschaftlern des Instituts für Optik und Quantenoptik aus Jena in der aktuellen "Nature" gezeigt. Bislang geht das nur in gigantischen Beschleunigeranlagen, die wesentlich aufwendiger sind. Arbeitsgruppenleiter Professor Roland Sauerbrey erklärte das Verfahren im Gespräch mit Gerd Pasch.

27.01.2006

Pasch: Herr Professor Sauerbrey, was ist das wesentliche an Ihrem Experiment?

Sauerbrey: Das wesentliche an dem Experiment ist, dass wir mit den Lasern Protonen beschleunigen. Das an sich ist noch nicht etwas ganz neues. Was wir das erste Mal zeigen, ist, dass man mit Lasern Protonen so beschleunigen kann, dass alle Protonen die gleiche Energie haben. Das heißt, dass die alle mit der gleichen Geschwindigkeit fliegen.

Pasch: Wie ist Ihr Experiment aufgebaut, um diese Dinge herauszufinden?

Sauerbrey: Man muss ein speziell strukturiertes Target nehmen, das Target ist das Material, auf das man mit dem Laser schießt, und das ist eine Metallfolie, auf die kleine Kunststoffflecken aufgebracht sind, die nur etwa so zehn bis 20 Mikrometer groß sind. Und wenn man jetzt mit einem hoch intensiven Laser auf einen dieser, auf diese Metallfolie schießt, so dass auf der anderen Seite der Metallfolie dieser Kunststofffleck ist, dann stellt sich heraus, wenn dieser Laser intensiv genug ist, und die Intensitäten dieser Laser sind sehr, sehr hoch, dann werden also die Protonen, also die Wasserstoffkerne aus diesen Kunststoffstückchen auf sehr hohe Energien von einigen Megaelektronenvolt beschleunigt.

Pasch: Welche Herausforderungen mussten Sie überwinden?

Sauerbrey: Nun, die Herausforderung ist vielfach: In der Hinsicht, dass man zunächst einmal einen geeigneten Laser haben muss. Ich habe schon erwähnt, die Laser haben sehr, sehr hohe Leistungen, die kann man nur erreichen, wenn man das mit sehr, sehr kurzen Pulsen macht. Unsere Laser haben Energien, die nicht sehr hoch sind, etwa ein Joule, aber die Pulsdauer ist sehr kurz, etwa 10 hoch -13 Sekunden, das ist also von einer Sekunde der millionste Teil, davon noch einmal der millionste Teil und davon ein Zehntel, und dadurch, dass diese Pulse sehr kurz sind und auf einen sehr kleinen Fleck fokussiert werden können, kann man sehr hohe Intensitäten erreichen, in unserem Experiment waren das einige 10 hoch 19 Watt pro Quadratzentimeter.

Pasch: Und die Maschinen für das Experiment haben Sie in Jena stehen?

Sauerbrey: Die haben wir stehen, ja.

Pasch: Welchen Status hat die Entwicklung im Moment erreicht?

Sauerbrey: Im Moment ist es so, dass wir das Prinzip demonstriert haben, das heißt, dass man grundsätzlich solche monoenergetischen, oder wenn Sie so wollen, solche einfarbigen Protonenstrahlen machen kann. Der nächste Schritt wird sein, dieses Prinzip zu verbessern. In der Hinsicht, dass man die Energie der Protonen erhöht und auch ihre Einfarbigkeit noch verbessert, also die Verteilung, die Geschwindigkeitsverteilung noch schmaler macht. Wir wissen grundsätzlich auch schon, wie wir das angehen müssen. Diese Experimente werden in den nächsten Wochen stattfinden. Langfristig muss man die Laserintensität und die Laserenergie noch wesentlich erhöhen, um zu den Energien zu kommen, die dann auch für die Anwendungen wirklich interessant sind. Das wird wohl noch zwei, drei Jahre dauern, bis man diese Energien erreicht. So ein Laser ist bei uns allerdings auch in Bau.

Pasch: An welche Anwendungen denken Sie?

Sauerbrey: Also die Anwendungen sind zunächst einmal ganz grundsätzlich alle Anwendungen, die man mit konventionellen Beschleunigern heute macht. In der Kernphysik, in der Isotopenproduktion. Eine wichtige Anwendung, und daraufhin ist unser Projekt auch ausgerichtet, ist es Ionen zu beschleunigen, mit denen man dann Strahlentherapie machen kann, bei Krebspatienten. Das ist Zukunftsmusik im Moment. Wir können das im Moment noch nicht, muss man ganz klar sagen, aber diese Laserbeschleuniger haben das Potential in der Zukunft, Protonenstrahlen oder auch andere Ionenstrahlen zu machen, die von der Qualität sind, dass man diese Anwendungen damit angehen kann.