Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Direkte Laser-Beschleunigung von Ionen für medizinische Anwendungen

01.08.2008
Forscher am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) konnten in einer theoretischen Studie zeigen, dass mittels extrem stark fokussierter Petawatt-Laserstrahlen Ionen direkt auf Energien beschleunigt werden können, wie sie für eine Tumortherapie erforderlich sind.

Die Modellrechnungen ergaben ferner, dass die für den therapeutischen Einsatz geforderte Qualität der Ionenstrahlen für eine geeignet gewählte Polarisation des Laserlichts erreichbar ist. Falls es gelingt, die zu beschleunigenden Ionen in genügend großer Dichte bereitzustellen, könnte die Technik der Laserbeschleunigung in der Zukunft eine wesentlich kostengünstigere Alternative zu herkömmlichen Beschleunigersystemen darstellen.

Strahlen aus beschleunigten schweren geladenen Teilchen stehen inzwischen an mehreren Orten weltweit für die Tumortherapie (Hadrontherapie) zur Verfügung. Im Herbst dieses Jahres werden am neu fertig gestellten Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) die ersten Patienten behandelt werden. Die besondere Eigenschaft dieser Teilchen, eine genau definierte Reichweite im Gewebe bei gegebener Energie, ermöglicht eine präzise Bestrahlung in einem Rasterscanverfahren.

Dieses schont das umgebende Gewebe und ermöglicht die Behandlung nicht operabler, kompliziert geformte bösartige Tumoren. Anlagen zur Hadrontherapie bestehen aus einem konventionellen Beschleuniger, welches die Ionen (in der Regel Protonen oder Kohlenstoffkerne) auf Energien von bis zu einigen 100 Megaelektronenvolt bringt und einem aufwendigen Strahlführungssystem (Gantry), welches eine Bestrahlung aus allen Raumrichtungen für das o. g. Rasterscanverfahren ermöglicht. Bedingt durch die hohe Energie und Masse der Teilchen benötigt man zu deren Ablenkung sehr starke Magnetfelder, weshalb ein typischer Gantry-Aufbau eine Masse von mehreren 100 Tonnen hat und zugleich den Strahl mit höchster Präzision justieren muss.

... mehr zu:
»Ion »Laser

Da dies einen nicht unerheblichen finanziellen Aufwand darstellt, gibt es Überlegungen, für die Zukunft weniger aufwendige, alternative Beschleunigungs- und Strahlführungssysteme zu entwickeln. Ein vielversprechender Ansatz ist die Beschleunigung geladener Teilchen in starken Laserfeldern, zumal die Lasertechnologie einen der dynamischsten Fortschritte in der gesamten Physik zu verzeichnen hat. So werden in naher Zukunft kompakte Anlagen mit Laserleistungen im Petawattbereich zur Verfügung stehen. Die Beschleunigung der Ionen könnte dann in unmittelbarer Nähe des Bestrahlungsplatzes aus der gewünschten Richtung erfolgen; die aufwendige magnetische Strahlführung würde durch ein erheblich leichteres optisches System für den Laserstrahl ersetzt.

Forscher der Gruppe von Christoph Keitel am Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg haben nun in Modellrechnungen untersucht, auf welchem Wege mittels extrem starker Lichtfelder Ionenstrahlen mit den für Hadrontherapie erforderlichen Eigenschaften erzeugt werden können. Kernpunkte sind dabei eine ausreichend große Beschleunigung für verfügbare Laserintensitäten sowie eine hohe Energieschärfe (besser als 1 %) für das Rasterscanverfahren. Bisherige Methoden der Beschleunigung in lasergenerierten extrem dichten Plasmen erreichen zwar schon recht hohe Energien sind aber mit breiten Energieverteilungen behaftet. Stattdessen wurde nun die direkte Beschleunigung von bereits erzeugten Ionen theoretisch modelliert.

Betrachtet wurden sowohl linear als auch radial polarisierte Laserstrahlen einer Leistung von 0,1 bis 10 Petawatt, die auf einen winzigen Brennpunkt gebündelt werden, der kleiner als die Wellenlänge des Lasers ist. Salamin, Harman und Keitel konnten zeigen, dass speziell das radial polarisierte Laserlicht (Axicon-Laser) besonders gute Beschleunigungseigenschaften besitzt. Solches Licht wurde zwar noch nicht in dem gewünschten Intensitätsbereich erzeugt, fundamentale Hindernisse stehen dem aber nicht entgegen.

ür Kohlenstoffkerne ergab sich bei 10 Petawatt Laserleistung eine maximale Energie von etwa 1500 MeV bei einer Energieschärfe von 0,8 %. Ionen, die von linear polarisierten Lasern beschleunigt werden, besitzen nahezu dieselben charakteristischen Strahleigenschaften. Ein weiterer Vorteil linear polarisierter Laser ist der rechteckförmige Querschnitt der erzeugten Strahlen, das zu einer gleichmäßigeren Tumorbestrahlung führt. Derartige Lasersysteme für die erforderlichen hohen Intensitäten sind bereits vorhanden.

Die Erforschung der Beschleunigungsmechanismen ist nur der erste Schritt. Eine wesentliche Herausforderung besteht in der Entwicklung geeigneter Quellen zur Erzeugung der zu beschleunigenden Ionen in der erforderlichen Dichte. Herkömmliche Ionenquellen und -strahlapparaturen sind davon noch viele Größenordnungen entfernt. Eine alternative Möglichkeit könnten Laser-Ionenquellen darstellen, in denen ein Laser zunächst ein Festkörpertarget ionisiert, um es dann mit dem eigentlichen Beschleunigungslaser zu bestrahlen.

Originalveröffentlichung:

Direct High-Power Laser Acceleration of Ions for Medical Applications
Yousef I. Salamin, Zoltán Harman, and Christoph H. Keitel
Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 155004
Kontakt:
Dr. Zoltán Harman
Prof. Dr. Christoph H. Keitel
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

Dr. Bernold Feuerstein | idw
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de
http://link.aps.org/abstract/PRL/v100/e155004
http://www.mpi-hd.mpg.de/keitel/ -

Weitere Berichte zu: Ion Laser

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Studien Analysen:

nachricht Welche Auswirkungen hat die Digitalisierung der Industrieproduktion auf Jobs und Umweltschutz?
16.05.2017 | Institute for Advanced Sustainability Studies e.V.

nachricht Klimawandel: ungeahnte Rolle der Bodenerosion
11.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Studien Analysen >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Im Focus: XENON1T: Das empfindlichste „Auge“ für Dunkle Materie

Gemeinsame Meldung des MPI für Kernphysik Heidelberg, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster

„Das weltbeste Resultat zu Dunkler Materie – und wir stehen erst am Anfang!“ So freuen sich Wissenschaftler der XENON-Kollaboration über die ersten Ergebnisse...

Im Focus: World's thinnest hologram paves path to new 3-D world

Nano-hologram paves way for integration of 3-D holography into everyday electronics

An Australian-Chinese research team has created the world's thinnest hologram, paving the way towards the integration of 3D holography into everyday...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

Flugzeugreifen – Ähnlich wie PKW-/LKW-Reifen oder ganz verschieden?

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Myrte schaltet „Anstandsdame“ in Krebszellen aus

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

22.05.2017 | Physik Astronomie

Wie sich das Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

22.05.2017 | Biowissenschaften Chemie