Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Tumore unter scharfem Beschuss: Münchener Physiker erzeugen hochenergetische Kohlenstoffstrahlen mit Lasern

11.12.2009
Hochenergetische Ionenstrahlen in guter Qualität und definierter Dosis für die punktgenaue und dennoch kostengünstige Bestrahlung von Tumoren nutzen zu können, steht schon lange auf der Wunschliste der Onkologen.

Moderne Lasertechnik könnte künftig teure Teilchenbeschleuniger ablösen: Einem Team um Prof. Dr. Dietrich Habs von der Ludwig-Maximilians-Universität München ist es nun im Rahmen des Exzellenzclusters "Munich-Centre for Advanced Photonics" (MAP) in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Max-Born-Instituts in Berlin gelungen, einen bereits lange vorhergesagten Mechanismus der laserbasierten Strahlenerzeugung erstmals experimentell zu bestätigen.

Die bahnbrechenden Ergebnisse wurden soeben von der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Kohlenstoffstrahlen gelten als effektivste und für den Patienten schonendste Methode, Tumore zu behandeln, weil sie ihre zerstörerische Kraft erst unmittelbar im Tumor entfalten und nicht schon auf dem Weg dorthin die gesunden Zellen schädigen, wie es bei konventionell eingesetzten Röntgen- oder Elektronenstrahlen der Fall ist. Sie eignen sich daher besonders für die Behandlung von Tumoren in hochsensiblen Regionen, beispielsweise in der Nähe des Hirnstammes, oder für sehr tief im Körper liegende Tumore. Ein Problem stellt derzeit allerdings die Erzeugung dieser Strahlen dar: Stand der Technik sind große Beschleunigeranlagen, die technisch extrem aufwändig und sehr teuer sind - sowohl im Bau als auch im Betrieb. Die meisten Krebspatienten kommen daher gar nicht in den Genuss dieser Behandlung. "Als Mediziner sind wir heute auf die Fortschritte der Physiker angewiesen, um noch mehr Patienten heilen zu können", macht Prof. Dr. Michael Molls vom Klinikum rechts der Isar, ebenfalls Mitglied im Exzellenzcluster, deutlich.

Ionenstrahlen lassen sich jedoch auch mittels kompakter Lasersysteme erzeugen, was gegenüber bisher notwendigen Großanlagen sehr vorteilhaft ist. "Mit der neuen Technik ist der eigentliche Beschleuniger kleiner als die Dicke eines Haares", verdeutlicht Habs. Derart kurze Distanzen sind ausreichend, um Ionen mit hochintensiven Laserpulsen auf hohe Energien zu beschleunigen. Auch die Strahlführung zum Patienten wird wesentlich verkleinert, die tonnenschweren Magnete durch filigrane Spiegel ersetzt. Bisher ist es jedoch nicht gelungen, eine effiziente Methode zu entwickeln um auf alle Ionen die gleiche Energie zu übertragen. Hier setzt die Arbeitsgruppe um Prof. Habs an. Andreas Henig führte zusammen mit Berliner Physikern die ersten erfolgreichen Experimente durch: "Mit den neuesten Messungen haben wir es geschafft, sowohl in der Effizienz der Ionenstrahlerzeugung als auch in der Energieverteilung der beschleunigten Teilchen einen experimentellen Durchbruch zu erzielen."

Die energiereichen Ionen erzeugen die Forscher, indem sie diamantartige Kohlenstoff-Folien mit hochintensiven Laserpulsen bestrahlen. Das starke elektrische Feld im Laserfokus trennt die Atome der Folie in Elektronen und Ionen und erzeugt dadurch ein Plasma. Die enorme Laserintensität (etwa 100 Trillionen mal stärker als die durchschnittliche Strahlungsintensität der Sonne) heizt die leichteren Elektronen stark auf und trennt sie in einer expandierenden Wolke von den trägeren, weil deutlich schwereren Ionen. Ein Ladungstrennungsfeld enormer Stärke entsteht und beschleunigt die Ionen bis auf etwa ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit. Allerdings zeigten die so erzeugten Ionenstrahlen bisher ein breites Energiespektrum, eine medizinische Anwendung dagegen erfordert eine genau definierte Teilchenenergie, um Eindringtiefe und Dosisverteilung präzise zu regeln.

Die Münchner Physiker haben nun erstmals einen Beschleunigungsprozess experimentell demonstriert, der alle Ionen mit gleicher Geschwindigkeit fliegen lässt. Sie haben die Polarisation des Lasers von linear auf zirkular geändert und die Dicke der laserbestrahlten diamantartigen Kohlenstoff-Folien auf wenige Nanometer reduziert - das vermeidet ein unkontrolliertes Aufheizen der Teilchen. Stattdessen drückt das Laserlicht die Elektronen nun kollektiv in einer Nanometer-dünnen Schicht nach vorne und zieht die Kohlenstoff-Ionen mit sich. Die komplette Folie wird wie ein Segel durch den Lichtdruck des Lasers angetrieben, ein Mechanismus, der von Theoretikern bereits lange vorhergesagt wurde.

Die erzielten Resultate ebnen den Weg zu einer kostengünstigeren Erzeugung der vielversprechenden Kohlenstoffstrahlen. Die nächste Herausforderung für die Physiker im Exzellenzcluster ist, die Energie der Ionenstrahlung weiter zu erhöhen. Noch reicht sie für eine effektive Strahlentherapie nicht aus, die Ionen würden nicht tief genug in den Körper eindringen. Habs freut sich dennoch: "Schon in wenigen Monaten werden wir an unserer Biomedical-Beamline am Max-Planck Institut für Quantenoptik hier in Garching mit der ersten Bestrahlung einzelner Zellen starten und zeitgleich die Ionenstrahlparameter weiter verbessern."

Originalveröffentlichung:
Doi: 10.1103/PhysRevLett.103.245003

Christine Kortenbruck | idw
Weitere Informationen:
http://www.munich-photonics.de
http://www.ha.physik.uni-muenchen.de/index.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht ALMA beginnt Beobachtung der Sonne
18.01.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Magnetische Kraft von einzelnen Antiprotonen mit höchster Genauigkeit bestimmt
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der erste Blick auf ein einzelnes Protein

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das menschliche Hirn wächst länger und funktionsspezifischer als gedacht

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Zur Sicherheit: Rettungsautos unterbrechen Radio

18.01.2017 | Verkehr Logistik