Компактний лазерний плазмовий прискорювач б’є рекорд протонної енергії

Вчені встановили новий енергетичний рекорд для протонних прискорювачів нового покоління

Helmholtz -Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) досяг значного прогресу в лазерному прискоренні плазми. Використовуючи інноваційний метод, дослідницькій групі вдалося значно перевищити попередній рекорд прискорення протонів. Вперше вони досягли енергії, яка досі здавалася можливою лише на набагато більших об’єктах. Як повідомила дослідницька група в журналі Nature Physics, перспективні застосування в медицині та матеріалознавстві тепер стали набагато ймовірнішими.

Компактні та енергоефективні прискорювачі

Лазерне прискорення плазми відкриває цікаві перспективи. Порівняно зі звичайними прискорювачами, вона обіцяє більш компактні й енергоефективні засоби, тому що замість використання потужних радіохвиль для руху частинок нова технологія використовує лазери для їх прискорення.

Принцип полягає в тому, що надзвичайно короткі, але високоінтенсивні лазерні імпульси спрацьовують на тонку фольгу. Світло нагріває матеріал до такої міри, що з нього виходить незліченна кількість електронів, а атомні ядра залишаються на місці. Оскільки електрони негативно заряджені, а атомні ядра позитивні, між ними на короткий час утворюється сильне електричне поле. Це поле може катапультувати протонний імпульс лише на відстані кількох мікрометрів до енергій, які вимагали б значно більших відстаней за допомогою традиційної технології прискорювача.

Однак ця технологія все ще перебуває на стадії дослідження: поки що вдалося досягти енергії протонів лише до 100 МеВ і лише за допомогою надзвичайно великих лазерних систем, яких у світі небагато. Щоб досягти такої ж високої енергії прискорювача з меншими лазерними установками та коротшими імпульсами, команда фізиків HZDR Карла Зейла та Тіма Ціглера застосувала новий підхід.

Вони використовують властивість лазерних спалахів, яка зазвичай розглядається як недолік. «Енергія імпульсу спрацьовує не відразу, що було б ідеальним випадком», — повідомляє Зіглер. «Натомість трохи лазерної енергії мчить попереду, як свого роду авангард».

Раптом Прозорий

У новій концепції саме це світло, що мчить вперед, відіграє ключову роль. Коли він потрапляє на спеціально виготовлену пластикову фольгу у вакуумній камері, він може змінити її певним чином.

«Під впливом світла фольга розширюється, стає дедалі гарячішою та тоншою», — пояснює Зіглер. «Фольга ефективно плавиться під час нагрівання».

Це має позитивний вплив на первинний імпульс, який слідує негайно: фольга, яка в іншому випадку значною мірою відбивала б світло, раптово стає прозорою, що дозволяє первинному імпульсу проникати глибше в матеріал, ніж це було в попередніх експериментах.

«Результатом є те, що в матеріалі запускається складний каскад механізмів прискорення, — каже Зіглер, — що призводить до того, що протони, що містяться у плівці, прискорюються набагато сильніше, ніж наш лазер DRACO». У цифрах: якщо раніше установка досягала енергії протонів приблизно 80 МеВ, тепер вона може генерувати 150 МеВ – майже вдвічі.

Щоб досягти цього рекорду, команді довелося провести серію експериментів, щоб наблизитися до ідеальних параметрів взаємодії, наприклад щодо оптимальної товщини використовуваних плівок. Аналізуючи дані вимірювань, дослідницька група виявила, що прискорений пучок частинок має ще одну приємну властивість: високоенергетичні протони демонструють вузький розподіл енергії, тобто, образно кажучи, усі вони приблизно однаково швидкі – перевага для подальших застосувань – для яких високі рівномірні енергії протонів надзвичайно корисні.

Перевага: енергоефективність

Одним із таких застосувань є дослідження нових радіобіологічних концепцій для точного, м’якого лікування пухлин. За допомогою цього методу застосовуються дуже високі дози радіації протягом дуже короткого періоду. Для цих досліджень дотепер переважно використовувалися широкомасштабні звичайні терапевтичні прискорювачі, які доступні лише в кількох центрах у Німеччині і які, звичайно, є пріоритетними для лікування пацієнтів.

Нова процедура HZDR тепер робить використання компактних лазерних систем більш імовірним, дозволяючи додатковим дослідницьким групам отримати доступ до цих досліджень і полегшити сценарії випромінювання, які не можуть забезпечити звичайні системи.

«Більше того, сучасні об’єкти потребують великої потужності, — каже Зіглер. «На основі лазерного прискорення плазми вони можуть бути набагато економнішими».

Цю процедуру також можна використовувати для ефективної генерації нейтронів. Лазерні спалахи можна використовувати для отримання коротких інтенсивних нейтронних імпульсів, які становлять інтерес для використання в науці та техніці, а також для аналізу матеріалів. І тут плазмові прискорювачі обіцяють значно розширити попередні сфери застосування. Але перш за все вчені хочуть доопрацювати новий метод і зрозуміти його краще. Серед іншого, вони хочуть співпрацювати з іншими лабораторіями, щоб точніше контролювати процес і зробити технологію більш доступною. Подальші рекорди також на порядку денному: енергії понад 200 МеВ здаються цілком можливими.