Gammastrahlung aus Plastik

  • 13. May 2016

Auf Plastik treffende Laserpulse als interessante Quelle für harte Gammastrahlung.

In den letzten Jahren stößt die Erzeugung hoch­energetischer Gamma­strahlung dank der guten Entwicklung starker Laser­quellen auf deutlich steigendes Interesse. Mit effizienter Gamma­quellen im Bereich einiger Mega­elektronen­volt ließen sich nicht nur astro­physikalische Phänomene wie etwa die Paar­erzeugung in Plasmen oder ähnliche Effekte im Labor nachstellen. Einige Forscher sehen auch Möglichkeiten in strahlen­therapeutischen Anwendungen wie bei der Bekämpfung von Krebs oder sogar in der Strahlen­chirurgie. Nicht zuletzt in den Material­wissenschaften und für spektro­skopische Methoden in der Kern­physik könnten sich solche Gamma­quellen als nützlich erweisen.

Abb.: Berechnete Elektronendichte (grün) und magnetische Feldstärke (gelb-orange-blau) in einem strukturierten Plastik-Target 300 Femtosekunden nach Bestrahlung mit einem intensiven Laserpuls von links. Die roten Punkte deuten nach rechts fliegende Photonen jenseits von 10 MeV an. (Bild: A. V. Arefiev, D. J. Stark, T. Toncian, U. Texas)

Abb.: Berechnete Elektronendichte (grün) und magnetische Feldstärke (gelb-orange-blau) in einem strukturierten Plastik-Target 300 Femtosekunden nach Bestrahlung mit einem intensiven Laserpuls von links. Die roten Punkte deuten nach rechts fliegende Photonen jenseits von 10 MeV an. (Bild: A. V. Arefiev, D. J. Stark, T. Toncian, U. Texas)

Gegenwärtig wird vor allem der inverse Compton-Effekt als Gamma­quelle favorisiert. Hierbei werden Laserpulse an hoch­energetischen Elektronen rückgestreut, wobei sich ein Teil der Energie auf die Photonen überträgt. Dabei entsteht ein linear polarisierter und weitgehend mono­chromatischer Gamma­strahl. Um mit diesem Ansatz eine nennens­werte Ausbeute an Gamma-Photonen zu erzielen, sind jedoch extreme Laser­intensitäten von rund 1023 W/cm2 notwendig. Künftige Einrichtungen sollen solche Intensitäten zwar erreichen, in näherer Zukunft werden sich Forscher aber mit etwas geringeren Laser­leistungen zufrieden geben müssen. Ein Team von Wissenschaftlern an der Universität Texas in Austin hat deshalb nun anderes Verfahren entwickelt, um auch mit niedrigeren Laser­intensitäten eine gute Effizienz bei der Erzeugung von Gamma­strahlung zu realisieren.

Die Forscher untersuchten die Wechselwirkung eines ultra­starken Laser­pulses mit einem Plastik-Target. Dieses Material ist nicht nur gut zu verarbeiten, sondern auch leicht und stellt eine hohe Anzahl an Elektronen zur Verfügung. Die Wissenschaftler simulierten das Eintreten des Laser­pulses und die Erzeugung von Gamma­strahlung in zwei und drei Dimensionen. Für ihre Simulationen nutzten sie den Stampede-Supercomputer der Universität Texas.

Die Wissenschaftler basierten ihre Rechnungen auf einem Petawatt-Laserpuls mit einer Intensität von 5 × 1022 W/cm2. Das ist ungefähr 500 mal so stark wie das gesamte Sonnenlicht, das auf die Erde fällt – gebündelt auf eine Bleistift­spitze. Solche Laser­intensitäten sind etwa mit Texas Petawatt Laser oder ähnlichen Einrichtungen im Bereich des Möglichen. Der simulierte Laserpuls besaß eine Wellenlänge von einem Mikro­meter im Infra­roten, war linear polarisiert und bei einer Pulslänge von 100 Femto­sekunden auf einen 1,1 Mikrometer breiten Fleck fokussiert.

Ein überraschender Effekt ermöglicht erst die Erzeugung von Gamma­strahlung in optisch undurch­sichtigen Materialien: Ist der Laserpuls stark genug, kommt es zur relativistischen Transparenz. Ein eigentlich für den Laserpuls undurch­sichtiges Material wird dann so stark erhitzt, dass es sich in ein relativistisches Plasma verwandelt. Die Elektronen in diesem Plasma erfahren durch den Laserpuls eine enorme Beschleunigung und erreichen innerhalb kürzester Zeit relativistische Energien. Dadurch werden zugleich zu träge, um den Oszillationen des elektro­magnetischen Feldes weiter folgen zu können.

Der Laserpuls kann deshalb einige Dutzend Mikrometer tief in das Material eintreten und erzeugt dabei auch ein ultra­starkes, quasi­stabiles Magnetfeld im Plasma. Laut den Simulationen treten bei den simulierten Laserpulsen Feld­stärken von bis zu 0,4 Megatesla auf. Sollte sich dieser Vorschlag experimentell realisieren lassen, wäre das ein Rekordwert, der ungefähr um eine Größen­ordnung über allem liegt, was vergleichbare Verfahren zu bieten haben.

Dieses ultrastarke Magnetfeld windet sich um die Achse des Laserpulses. Dadurch erfahren die Elektronen eine weitere Beschleunigung, die zur Aussendung von Synchrotron­strahlung führt. Nach den Simulationen der Forscher sollte sich bei solch intensiven Laser­pulsen die Effizienz bei der Umwandlung der Laser­energie in hoch­energetische Gamma-Photonen stark vergrößern. So sollten aus einem 69-Joule-Puls eines Petawatt-Laser Gamma-Photonen im Multi-Mega­elektronen­volt-Bereich entstehen, die eine Gesamt­leistung von einigen Terawatt und rund ein Joule Energie aufweisen.

Die Simulationen zeigten aber auch ein Problem bei diesem Ansatz auf: Der Laserpuls reagiert beim Eintreten in das Material mitunter sehr instabil. Kleine Unregel­mäßig­keiten können zu einer Krümmung der Bahn im Material führen, wobei sich natürlich auch die Magnet­felder verwinden. Solche Effekte führen dazu, dass die Gamma-Photonen nicht mehr sauber kollimiert in die Richtung des Laser­pulses abgegeben werden, sondern sich statt­dessen in unterschiedliche Richtungen verteilen.

Die Forscher schlagen deshalb vor, das Plastik-Target zu strukturieren. Wenn man dünne Kanäle im Target mit leichterem Material füllt, stabilisiert sich die Bahn des Plasmas im Target. Die Kanäle müssten nur etwas kleiner sein als die Breite des Laser­pulses. Gute Ergebnisse lieferte ein Radius von 0,9 Mikrometern.

Sollte sich der Vorschlag der Wissenschaftler von der Universität Texas realisieren lassen, könnte er eine außerordentlich starke Gamma­quelle darstellen. Mit zwei solchen Strahlen ließe sich etwa auch ein Photon-Collider bauen, der dann per Paar­erzeugung größere Mengen Antimaterie zu erzeugen imstande wäre. Noch sind auf dem Weg dahin aber einige Hürden zu nehmen. Insbesondere vom ingenieur­technischen Standpunkt werden sich einige Annahmen der Simulation nicht ohne Schwierigkeiten umsetzen lassen. Auch die geringe Pulsrate der hoch­gezüchteten Petawatt-Laser scheint hier noch wenig attraktiv. Bei der schnellen Entwicklung der Laser­technik ist aber vielleicht schon in wenigen Jahren mit weiteren Überraschungen zu rechnen.

Dirk Eidemüller

DE

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