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Sonntag, 26.03.2017
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Tumore unter scharfem Beschuss

Physiker erzeugen hochenergetische Kohlenstoffstrahlen mit Lasern

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 von Medizinern. Moderne Lasertechnik könnte dabei künftig teure Teilchenbeschleuniger ablösen: Denn einem Forscherteam ist es gelungen, einen bereits lange vorhergesagten Mechanismus der laserbasierten Strahlenerzeugung erstmals experimentell zu bestätigen.
Laserlicht drückt Elektronen und Ionen in seiner Bugwelle vorwärts

Laserlicht drückt Elektronen und Ionen in seiner Bugwelle vorwärts

Die Wissenschaftler um Professor Dietrich Habs von der Universität München (LMU) stellen die Ergebnisse ihrer neuen Studie zusammen mit Kollegen des Max-Born-Instituts in Berlin in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ vor.

Effektive Kohlenstoffstrahlen


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 noch 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 Professor Michael Molls vom Klinikum rechts der Isar deutlich.


ATLAS Lasersystem

ATLAS Lasersystem

Beschleuniger kleiner als die Dicke eines Haares


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 das Team um 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.“

Hochintensive Laserpulse


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.

Polarisation des Lasers von linear auf zirkular geändert


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.

Kostengünstigere Erzeugung von Kohlenstoffstrahlen


Die erzielten Resultate ebnen nach Angaben der Wissenschaftler den Weg zu einer kostengünstigeren Erzeugung der vielversprechenden Kohlenstoffstrahlen. Die nächste Herausforderung für die Physiker 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.“
(idw - Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), 14.12.2009 - DLO)
 
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