Laserbeschleunigte Ionenstrahlen und Machine Learning Methoden

Skalierung laserbeschleunigter Ionenstrahlen und Nutzung von Machine Learning Methoden im Hinblick auf Anwendungen in Tumortherapie, Materialanalyse und Trägheitsfusion

IU Incubator

Projektbeschreibung (kurz)

Die Erzeugung laserbeschleunigter Ionenstrahlen und deren mögliche Anwendungen in der Tumortherapie, der Materialanalyse und der Trägheitsfusion ist ein Gebiet, auf dem seit etwa 20 Jahren weltweit aktiv geforscht wird. Entscheidende Fortschritte in der Lasertechnik haben uns auf dem Weg zur praktischen Nutzung solcher Teilchenstrahlen in den letzten Jahren deutlich vorangebracht. Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung von Skalierungsgesetzen und der Anwendung von Machine Learning Methoden zur Optimierung der für Anwendungen relevanten Parameter laserbeschleunigter Ionenstrahlen.

Seit der Entwicklung des ersten Rubinlasers von T. Mainman in den 1960er Jahren (T. H. Maiman 1969) sind Laser zu einem wichtigen Werkzeug unserer modernen Gesellschaft geworden mit zahlreichen Anwendungen in Industrie, Forschung und im täglichen Leben. Wichtige Einsatzgebiete liegen unter anderem in der industriellen Fertigungstechnik (z.B. Laserschneiden, Schweißen und Bohren), in der Medizintechnik (z.B. Tumortherapie und Augenlasern) in der chemischen Analytik (z.B. Spektrometrie oder Absorptionsspektroskopie) und in diversen Alltagsgeräten (z.B. Laserpointer, Laserdrucker, Scanner-Kassen und Distanzmesser) (Sigrist 2018).

Die ständige Weiterentwicklung der Lasertechnik erweitert das Spektrum möglicher Anwendungen kontinuierlich. Ein wichtiger Meilenstein war die Entwicklung der sogenannten chirped pulse amplification (CPA, dt. Verstärkung zeitlich gestreckter Pulse) (D. Strickland and G. Mourou 1985), die im Jahr 2018 mit dem Physik-Nobelpreis honoriert wurde (Mourou 2019).

Die CPA-Technik lieferte die Voraussetzung für bisher unerreichte höchste Laserleistungen im Petawatt-Bereich (Danson et al. 2004) und legte damit den Grundstein für einen Mechanismus zur Beschleunigung von Teilchen mit Lasern (Snavely et al. 2000). Dabei entstehen bei der Wechselwirkung eines ultraintensiven Laserpulses mit einer Festkörperprobe elektrische Felder in der Größenordnung von TV/m, wodurch Materie von der Probenrückseite ionisiert und auf Energien von mehreren MeV beschleunigt wird (siehe Abbildung 1). Solche Laser-Teilchenbeschleuniger stellen eine kompakte Alternative zu konventionellen Beschleunigeranlagen dar und machen damit Teilchenstrahlen, welche bisher aufgrund der Größe und Komplexität entsprechender Anlagen weitgehend auf die Nutzung in der Grundlagenforschung beschränkt waren, für ein breiteres Spektrum an Anwendungen interessant. Besonders vielversprechend sind dabei aktuell untersuchte Anwendungsmöglichkeiten in der Krebstherapie (Kroll et al. 2022), neue Methoden zur Materialanalyse (Zimmer et al. 2022) oder die Verwendung als „Zünder“ im Rahmen der Trägheitsfusion zur Energiegewinnung (Roth et al. 2001). Die speziellen Eigenschaften der Teilchenstrahlen lassen dabei erhebliche Vorteile in den genannten Anwendungsgebieten im Vergleich zu herkömmlichen Methoden erwarten. Beispielsweise die Ionenstrahltherapie zur Behandlung von Tumoren ermöglicht eine deutlich höhere Präzision und damit eine bessere Schonung des umliegenden gesunden Gewebes verglichen mit der konventionellen Bestrahlung mit Röntgenstrahlen (Universitätsklinikum Heidelberg: Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) 2022).

In den letzten 20 Jahren wurden in zahlreichen experimentellen und theoretischen Untersuchungen die Grundlagen dieser und weiterer Anwendungsfälle erforscht (Wilks et al. 2001; Tajima et al. 2009; Mackinnon et al. 2006; Fuchs et al. 2006; Borghesi et al. 2006; Daido et al. 2012; Macchi 2017; Wagner et al. 2016), ein Durchbruch bei der Realisierung über die Grundlagenforschung hinaus war allerdings bisher nicht möglich. Grund dafür waren vor allem technische Limitierungen, welche die Repetitionsrate von verfügbaren Petawatt-Lasersystemen bisher auf ca. einen Puls pro Stunde beschränkten. Dagegen erfordert eine praktische Nutzung der Teilchenstrahlen in Industrie oder Medizin Pulsraten im Bereich von 0,1 – 10 Hz.

In der Zwischenzeit wurden in der Lasertechnik allerdings entscheidende Fortschritte gemacht und es befinden sich aktuell erste Petawatt-Lasersysteme mit hohen Repetitionsraten im Hz-Bereich in Realisierung (Danson et al. 2019; Lureau et al. 2020; ELI Beamlines 2022; HANK HOGAN 2020). Insbesondere im Rahmen der Extreme Light Infrastructure (ELI) – einer kooperativen europäischen Forschungs-infrastruktur mit Standorten in der Tschechischen Republik, Ungarn und Rumänien – sind aktuell mehrere neuartige Hochleistungslasersysteme in Entwicklung (ELI Laser 2022). Neben Grundlagenforschung konzentrieren sich geplante Forschungsprogramme hier besonders auf die Realisierung von Anwendungen, wie z.B. die Nutzbarmachung laserbeschleunigter Teilchenstrahlen in Industrie und Medizin.

Literaturverzeichnis

Babaei, J.; Gizzi, L. A.; Londrillo, P.; Mirzanejad, S.; Rovelli, T.; Sinigardi, S.; Turchetti, G. (2017): Rise time of proton cut-off energy in 2D and 3D PIC simulations. In: Physics of Plasmas 24 (4), S. 43106. DOI: 10.1063/1.4979901.

Borghesi, M.; Fuchs, J.; Bulanov, S. V.; Mackinnon, A. J.; Patel, P. K.; Roth, M. (2006): Fast Ion Generation by High-Intensity Laser Irradiation of Solid Targets and Applications. In: Fusion Science and Technology 49 (3), S. 412–439. DOI: 10.13182/FST06-A1159.

D. Strickland and G. Mourou (1985): Compression of amplified chirped optical pulses. In: Optics Communications (56), S. 447–449.

Daido, Hiroyuki; Nishiuchi, Mamiko; Pirozhkov, Alexander S. (2012): Review of laser-driven ion sources and their applications. In: Reports on progress in physics. Physical Society (Great Britain) 75 (5), S. 56401. DOI: 10.1088/0034-4885/75/5/056401.

Danson, C.N; Brummitt, P.A; Clarke, R.J; Collier, J.L; Fell, B.; Frackiewicz, A.J et al. (2004): Vulcan Petawatt—an ultra-high-intensity interaction facility. In: Nucl. Fusion 44 (12), S239-S246. DOI: 10.1088/0029-5515/44/12/S15.

Danson, Colin N.; Haefner, Constantin; Bromage, Jake; Butcher, Thomas; Chanteloup, Jean-Christophe F.; Chowdhury, Enam A. et al. (2019): Petawatt and exawatt class lasers worldwide. In: High Pow Laser Sci Eng 7. DOI: 10.1017/hpl.2019.36.

ELI Beamlines (2022). Online verfügbar unter https://www.eli-beams.eu/, zuletzt aktualisiert am 25.03.2022, zuletzt geprüft am 25.03.2022.

ELI Laser (2022). Online verfügbar unter https://eli-laser.eu/, zuletzt aktualisiert am 25.03.2022, zuletzt geprüft am 25.03.2022.

Fuchs, J.; Antici, P.; d’Humières, E.; Lefebvre, E.; Borghesi, M.; Brambrink, E. et al. (2006): Laser-driven proton scaling laws and new paths towards energy increase. In: Nat. Phys. 2 (1), S. 48–54. DOI: 10.1038/nphys199.

HANK HOGAN, CONTRIBUTING EDITOR (2020): Ramping Up with High-Intensity Lasers. In: Photonics Media, 06.04.2020. Online verfügbar unter https://www.photonics.com/Articles/Ramping_Up_with_High-Intensity_Lasers/a65698, zuletzt geprüft am 25.03.2022.

Kroll, Florian; Brack, Florian-Emanuel; Bernert, Constantin; Bock, Stefan; Bodenstein, Elisabeth; Brüchner, Kerstin et al. (2022): Tumour irradiation in mice with a laser-accelerated proton beam. In: Nat. Phys. 18 (3), S. 316–322. DOI: 10.1038/s41567-022-01520-3.

Lureau, François; Matras, Guillaume; Chalus, Olivier; Derycke, Christophe; Morbieu, Thomas; Radier, Christophe et al. (2020): High-energy hybrid femtosecond laser system demonstrating 2 × 10 PW capability. In: High Power Laser Science and Engineering 8. DOI: 10.1017/hpl.2020.41.

Macchi, Andrea (2017): A Review of Laser-Plasma Ion Acceleration. Online verfügbar unter https://arxiv.org/pdf/1712.06443.

Mackinnon, A. J.; Patel, P. K.; Borghesi, M.; Clarke, R. C.; Freeman, R. R.; Habara, H. et al. (2006): Proton radiography of a laser-driven implosion. In: Phys. Rev. Lett. 97 (4), S. 45001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.97.045001.

Mourou, Gerard (2019): Nobel Lecture: Extreme light physics and application. In: Rev. Mod. Phys. 91 (3). DOI: 10.1103/RevModPhys.91.030501.

Passoni, Matteo; Bertagna, Luca; Zani, Alessandro (2010): Target normal sheath acceleration: theory, comparison with experiments and future perspectives. In: New J. Phys. 12 (4), S. 45012. DOI: 10.1088/1367-2630/12/4/045012.

Roth, M.; Cowan, T. E.; Key, M. H.; Hatchett, S. P.; Brown, C.; Fountain, W. et al. (2001): Fast ignition by intense laser-accelerated proton beams. In: Phys. Rev. Lett. 86 (3), S. 436–439. DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.436.

Sigrist, Markus Werner (2018): Laser: Theorie, Typen und Anwendungen. 8. Aufl. 2018. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. Online verfügbar unter http://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:31-epflicht-1497592.

Snavely, R. A.; Key, M. H.; Hatchett, S. P.; Cowan, T. E.; Roth, M.; Phillips, T. W. et al. (2000): Intense high-energy proton beams from Petawatt-laser irradiation of solids. In: Phys. Rev. Lett. 85 (14), S. 2945–2948. DOI: 10.1103/PhysRevLett.85.2945.

T. H. Maiman (1969): Stimulated Optical Radiation in Ruby. In: Nature (187), S. 493–494.

Tajima, Toshiki; Habs, Dietrich; Yan, Xueqing (2009): Laser Acceleration of Ions for Radiation Therapy. In: Rev. Accl. Sci. Tech. 02 (01), S. 201–228. DOI: 10.1142/S1793626809000296.

Universitätsklinikum Heidelberg: Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) (2022). Online verfügbar unter https://www.klinikum.uni-heidelberg.de/interdisziplinaere-zentren/heidelberger-ionenstrahl-therapiezentrum-hit, zuletzt aktualisiert am 26.03.2022, zuletzt geprüft am 26.03.2022.

Wagner, F.; Deppert, O.; Brabetz, C.; Fiala, P.; Kleinschmidt, A.; Poth, P. et al. (2016): Maximum Proton Energy above 85 MeV from the Relativistic Interaction of Laser Pulses with Micrometer Thick CH_{2} Targets. In: Phys. Rev. Lett. 116 (20), S. 205002. DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.205002.

Wagner, Florian (2014): Kontrolle des zeitlichen Kontrastes am Lasersystem PHELIX. Darmstadt. Online verfügbar unter https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4281/.

Wilks, S. C.; Langdon, A. B.; Cowan, T. E.; Roth, Markus; Singh, M.; Hatchett, S. et al. (2001): Energetic proton generation in ultra-intense laser–solid interactions. In: Physics of Plasmas 8 (2), S. 542–549. DOI: 10.1063/1.1333697.

Xiao, K. D.; Zhou, C. T.; Jiang, K.; Yang, Y. C.; Li, R.; Zhang, H. et al. (2018): Multidimensional effects on proton acceleration using high-power intense laser pulses. In: Physics of Plasmas 25 (2), S. 23103. DOI: 10.1063/1.5003619.

Zimmer, M.; Scheuren, S.; Ebert, T.; Schaumann, G.; Schmitz, B.; Hornung, J. et al. (2021): Analysis of laser-proton acceleration experiments for development of empirical scaling laws. In: Physical review. E 104 (4-2), S. 45210. DOI: 10.1103/PhysRevE.104.045210.

Zimmer, Marc; Scheuren, Stefan; Kleinschmidt, Annika; Mitura, Nikodem; Tebartz, Alexandra; Schaumann, Gabriel et al. (2022): Demonstration of non-destructive and isotope-sensitive material analysis using a short-pulsed laser-driven epi-thermal neutron source. In: Nat Commun 13 (1), S. 1173. DOI: 10.1038/s41467-022-28756-0.