Вчені вирішили головну проблему пучка протонів

Вчені відкрили революційний спосіб генерації протонних пучків за допомогою потужних лазерів і простого потоку води. На відміну від звичайних методів, які потребують великих дорогих прискорювачів, цей підхід використовує лазерно-плазмові прискорювачі для створення надшвидких пучків протонів у компактному просторі.

Прорив у прискоренні пучка протонів

Вчені розробили новий метод генерації швидких яскравих пучків протонів за допомогою лазерно-плазмового прискорювача з високою частотою повторення. Їхнє дослідження, опубліковане в Nature Communications, долає давні проблеми та просуває цю технологію до практичного застосування — і все це за допомогою простого потоку води.

«Ці захоплюючі результати відкривають шлях для нових застосувань релятивістських високопотужних лазерів у медицині, дослідженнях прискорювачів та інерційному термоядерному синтезі», — сказав Зігфрід Гленцер, професор науки про фотони та директор відділу науки про щільність високої енергії в Національній лабораторії прискорювачів SLAC Департаменту енергетики.

Необхідність нових типів протонних пучків

Протонні пучки — це високошвидкісні потоки заряджених частинок, які можуть точно націлюватися на матеріали, що робить їх цінними для широкого спектру застосувань. На відміну від рентгенівських променів, які впливають на ширшу область, протонні пучки відкладають свою енергію в певних місцях, що робить їх корисними для лікування раку, виготовлення напівпровідників і проведення передових наукових досліджень. Однак виробництво цих надшвидких, високоенергетичних променів залишається проблемою.

Традиційні прискорювачі частинок, такі як синхротрони, використовують потужні електромагніти для прискорення, керування та фокусування пучків частинок. Хоча ці системи були вирішальними для наукових відкриттів, їхні великі розміри та висока вартість роблять їх непрактичними для широкого використання в промисловості та охороні здоров’я. Деякі передові медичні центри вже використовують протонні пучки для лікування пухлин, вибірково знищуючи ракові клітини, зводячи до мінімуму пошкодження навколишніх тканин. Однак більш компактні та економічно ефективні джерела протонного пучка могли б значно розширити доступ до цієї технології, уможлививши нові медичні процедури та промислові застосування.

Обіцянка лазерно-плазмового прискорення

Введіть лазерно-плазмові прискорювачі (ЛПА). LPA використовують лазери високої інтенсивності, щоб вражати ціль, генеруючи пучки заряджених частинок, які досягають швидкості, порівнянної з тими, що виробляються за допомогою традиційних прискорювачів, але на незначній відстані. Вчені досліджують LPA як компактний, економічно ефективний спосіб генерації протонних пучків, але кілька технічних проблем перешкоджають їхньому розвитку. Однією з проблем є лазер високої інтенсивності, який знищує цілі після кожного імпульсу, вимагаючи нової цілі для кожного пострілу. Іншою проблемою є розбіжність променя: пучки протонів, створені LPA, зазвичай поширюються як прожектор, а не зберігають вузький фокус. Як необхідність заміни мішені, так і розбіжність променя значно знижують ефективність систем LPA.

Просто додайте воду

У цьому нещодавньому дослідженні дослідники зробили несподіваний прорив, одночасно вирішивши кілька проблем, хоча вони прагнули вирішити лише одну. Працюючи в Центральній лазерній лабораторії STFC Rutherford Appleton Laboratory, команда випробувала нову мішень, розроблену дослідниками SLAC, щоб усунути неефективність заміни мішеней після кожного лазерного імпульсу. Замість використання традиційної твердої мішені вони представили тонкий шар води – самовідновлювальний потік, який поповнюється після кожного пострілу. Коли лазер торкнувся води, він згенерував промінь протонів, як і очікувалося.

Самофокусуючий сюрприз

Але потім сталося щось дивовижне. Випарована вода утворила хмару пари навколо мішені, яка взаємодіяла з пучком протонів, створюючи магнітні поля. Ці поля природним чином сфокусували промінь, що призвело до більш яскравого, більш щільно вирівняного пучка протонів. Порівняно з аналогічними експериментами з твердими мішенями, водний шар зменшив розбіжність пучка протонів на порядок і збільшив ефективність пучка в сто разів. Промінь протонів демонстрував дивовижну стабільність, постійно працюючи зі швидкістю п’ять імпульсів на секунду протягом сотень лазерних пострілів.

«Цей ефект був абсолютно неочікуваним», — сказав Гріффін Гленн, аспірант Стенфордського університету, який брав участь у розробці мішені водяного шару та аналізі даних, а також другий автор статті. Безліч змінних у цьому експерименті, включаючи детальні властивості лазера, водяного шару та вакуумного середовища, зробили такі прогнози неможливими.

Однак після спостереження за явищем команда використала експериментальні дані для моделювання та глибшого розуміння основоположних сил, що спричиняють ефект. Висновки команди свідчать про те, що цей підхід можна застосувати до систем з вищою енергією, забезпечуючи навіть яскравіші та енергійніші пучки протонів.

Зміна парадигми

«Ця робота змінила всю парадигму», — сказав Глензер. «Нарешті, ми більше не повністю покладаємося на моделювання. Тепер ми можемо керувати фізикою з експериментальної точки зору, перевіряючи різні інтенсивності лазера, щільність цілей і тиск навколишнього середовища. Весь режим фізики перед нами».

Примітно, що промінь протонів постійно доставляв еквівалент 40 Грей з кожним пострілом, стандартна доза радіації, яка використовується в протонній терапії, ніколи раніше не досягалася з LPA, що працюють з такою частотою повторення. Крім того, результатів було досягнуто за допомогою легкодоступної низькоенергетичної лазерної системи, що знаменує великий прогрес у підготовці LPA для практичного застосування в медицині та промисловості.