Publikationsrepositorium - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Die Methode zur Verstärkung sogenannter gechirpter Laserpulse wurde im Jahr 2018 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet. Basierend auf dieser Methode lassen sich nun Laseranlagen mit Leistungen im Bereich von mehreren Petawatt realisieren. Werden die ultrakurzen Laserpulse eines solchen Hochleistungslasers auf dünne Metall- oder Plastikfolien fokussiert, können auf einer Strecke von wenigen Mikrometern intensive Ionenpulse beschleunigt werden. Bei der Wechselwirkung von Laserpuls und Folie entsteht dabei ein Plasma, in dem die Laserenergie zuerst auf schnelle Elektronen übertragen wird. Deren kollektive Felder bewirken dann die Beschleunigung von Ionen – das Prinzip eines Laser-Plasma-Beschleunigers. Besonders effektiv ist dieser Prozess für Protonen, die sich aktuell auf Energien jenseits der 100 MeV beschleunigen lassen.
Neben der Möglichkeit, kompakte Beschleuniger bauen zu können, punkten Laser-Plasma-Beschleuniger durch eine weitere besondere Eigenschaft: ihre Strahlen sind sehr intensiv und in Pikosekundenlänge gepulst, sodass ultrahohe Dosisleistungen erreicht werden. Davon kann die translationalen Krebsforschung profitieren – also jenes Forschungsgebiet, in dem Resultate der Grundlagenforschung auf neue Ansätze zur Prävention, Diagnostik und Behandlung von Krebserkrankungen übertragen werden. Die radiobiologische Wirkung stark gepulster Strahlung stellt hier nämlich eine aktuell intensiv diskutierte Fragestellung dar.
An der Realisierung einer Plattform für Radiobiologie mit ultrahohen Dosisraten basieren auf einem Laser-Plasma-Beschleuniger wird am Helmholtz-Zentrum Dresden—Rossendorf seit mehr als 15 Jahren gearbeitet. 2020 ist es hier nun erstmals gelungen, Tumoren in einem Kleintiermodell kontrolliert mit laserbeschleunigten Protonen zu bestrahlen. Bisherige Untersuchungen beschränkten sich auf Zellkulturen. Über viele Jahre wurden dazu der Laser, der Beschleunigungsmechanismus und das radiobiologische Modell studiert und optimiert, um bisherige Limitierungen bezüglich Protonenenergie und Beschleunigerstabilität zu überwinden und schließlich den Schritt von der Petrischale hin zum lebenden Modell wagen zu können. Die Ergebnisse markieren einen Meilenstein für die Entwicklung zuverlässiger Laser-Plasma-Beschleuniger und ermöglichen neuartige radiobiologische Studien.