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 Der schärfste Laserstrahl der Welt
29.06.2017 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

nachricht Ultra-sensitiv dank quantenmechanischer Verschränkung
28.06.2017 | Universität Stuttgart

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: Der schärfste Laserstrahl der Welt

Physikalisch-Technische Bundesanstalt entwickelt einen Laser mit nur 10 mHz Linienbreite

So nah an den idealen Laser kam bisher noch keiner: In der Theorie hat ein Laser zwar genau eine einzige Farbe (Frequenz bzw. Wellenlänge). In Wirklichkeit...

Im Focus: Wellen schlagen

Computerwissenschaftler verwenden die Theorie von Wellenpaketen, um realistische und detaillierte Simulationen von Wasserwellen in Echtzeit zu erstellen. Ihre Ergebnisse werden auf der diesjährigen SIGGRAPH Konferenz vorgestellt.

Denkt man an einen See, einen Fluss oder an das Meer, so sieht man vor sich, wie sich das Wasser kräuselt, wie Wellen gegen die Felsen schlagen, wie Bugwellen...

Im Focus: Making Waves

Computer scientists use wave packet theory to develop realistic, detailed water wave simulations in real time. Their results will be presented at this year’s SIGGRAPH conference.

Think about the last time you were at a lake, river, or the ocean. Remember the ripples of the water, the waves crashing against the rocks, the wake following...

Im Focus: Schnelles und umweltschonendes Laserstrukturieren von Werkzeugen zur Folienherstellung

Kosteneffizienz und hohe Produktivität ohne dabei die Umwelt zu belasten: Im EU-Projekt »PoLaRoll« entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit dem Oberhausener Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik UMSICHT und sechs Industriepartnern ein Modul zur direkten Laser-Mikrostrukturierung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Ziel ist es, mit Hilfe dieses Systems eine siebartige Metallfolie als Demonstrator zu fertigen, die zum Sonnenschutz von Glasfassaden verwendet wird: Durch ihre besondere Geometrie wird die Sonneneinstrahlung reduziert, woraus sich ein verminderter Energieaufwand für Kühlung und Belüftung ergibt.

Das Fraunhofer IPT ist im Projekt »PoLaRoll« für die Prozessentwicklung der Laserstrukturierung sowie für die Mess- und Systemtechnik zuständig. Von den...

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Marine Pilze – hervorragende Quellen für neue marine Wirkstoffe?

28.06.2017 | Veranstaltungen

Willkommen an Bord!

28.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der schärfste Laserstrahl der Welt

29.06.2017 | Physik Astronomie

Maßgeschneiderte Nanopartikel gegen Krebs gesucht

29.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wolken über der Wetterküche: Die Azoren im Fokus eines internationalen Forschungsteams

29.06.2017 | Geowissenschaften