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Laser-generated Ion Beams for Medical Applications

Galow, Benjamin Joachim

German Title: Lasererzeugte Ionenstrahlen für medizinische Anwendungen

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Abstract

The advent of high-power laser systems paved the way for laser acceleration of ion beams. Based on theoretical simulations, we demonstrate the feasibility of laser-generated ion beams matching the strict requirements for radio-oncological applications. Particle energies of several hundred MeV and low energy spreads of 1% are feasible within the framework of direct laser acceleration. A mechanism is suggested to efficiently post-accelerate particle beams originating from laser-plasma interaction processes, where the injection of ions into the focus is modeled in a realistic way. Introducing a long-wavelength CO2 laser leads to an increase in the total number of particles accelerated as one bunch by three orders of magnitude as compared to lasers with a wavelength around 1 micro meter. By employing pulsed laser systems in a single- and a crossed-beams configuration, we show that ion beams of high particle numbers can be produced. In a different setting we put forward the interaction of a chirped laser pulse with a hydrogen gas target of spatial extension of the order of the laser wavelength studied by means of particle-in-cell simulations. The low frequency components of the laser pulse allow for generating clinically applicable beams already while interacting with state-of-the-art laser systems of intensities of 10^21 W/cm^2.

Translation of abstract (German)

Das Aufkommen von Hochleistungs-Lasersystemen ebnete den Weg für Laserbeschleunigung von Ionenstrahlen. Basierend auf theoretischen Simulationen demonstrieren wir die Realisierbarkeit von Laser-generierten Ionenstrahlen, welche die strengen Kriterien radio-onkologischer Anwendungen erfüllen. Teilchenenergien von mehreren hundert MeV und einer niedrigen Energiestreuung von 1% sind im Rahmen direkter Laserbeschleunigung erzeugbar. Wir schlagen einen Mechanismus vor, um Teilchenstrahlen, die aus Laser-Plasma-Wechselwirkungsprozessen stammen, effizient nachzubeschleunigen, wobei die Injektion der Teilchen in den Fokus realistisch modelliert wird. Die Einführung eines langwelligen CO2-Lasers führt zu einem Anstieg in der Gesamtzahl an beschleunigten Teilchen pro Bündel, der um drei Größenordnungen höher ist verglichen zu Lasern mit Wellenlängen um 1 Mikrometer. Durch Anwendung gepulster Lasersysteme in unterschiedlichen Strahlenkonfigurationen (einzeln oder zwei gekreuzte Strahlen), zeigen wir, dass Ionenstrahlen mit hoher Teilchenzahl erzeugt werden können. In einem anderen Schema stellen wir, basierend auf Particle-In-Cell-Simulationen, die Wechselwirkung eines gechirpten Laserpulses mit einem Wasserstoffgastarget vor, dessen räumliche Ausdehnung vergleichbar mit der Laserwellenlänge ist. Die niedrigfrequenten Komponenten des Laserpulses ermöglichen es, bereits durch die Wechselwirkung mit modernsten Lasersystemen mit Intensitäten von 10^21 W/cm^2 klinisch anwendbare Teilchenstrahlen zu erzeugen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Keitel, Prof. Dr. Christoph H.
Date of thesis defense: 18 January 2012
Date Deposited: 25 Jan 2012 15:53
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Laserionenquelle, Lasererzeugtes Plasma, Protonentherapie, Infrarotlaser, Teilchenbeschleunigung
Uncontrolled Keywords: hadron cancer therapy , laser-plasma acceleration , direct laser acceleration , underdense plasma
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