Решили важную проблему: ученые совершили неожиданный прорыв с помощью лазеров и воды

Исследователи из Стэнфордского центра аккумуляторных батарей (SLAC) разработали новаторский метод генерации быстрых, ярких протонных пучков с использованием лазерно-плазменного ускорителя (ЛПУ), решив сразу две важные проблемы. Об этом говорится на официальном сайте SLAC.

Как объясняют ученые, протонные пучки — это высокоскоростные потоки заряженных частиц, известные своей способностью повреждать или изменять материалы, с которыми они взаимодействуют. Они направляют свою энергию в определенные места, обеспечивая точность, которая невозможна с другими технологиями, такими как рентгеновские лучи.

Это делает их ценными в различных областях: от лечения опухолей до травления крошечных элементов на микрочипах и полупроводниках. При этом создание этих сверхбыстрых, энергичных пучков является сложной задачей.

Обычные ускорители частиц, такие как синхротроны, используют ряд электромагнитов для ускорения, управления и фокусировки пучков частиц. Хотя эти ускорители привели ко многим открытиям в науке, их использование в медицине и промышленности ограничено из-за размера.

Лазерно-плазменные ускорители (ЛПУ) могут помочь обойти это ограничение. Они используют лазеры высокой интенсивности для удара по цели, генерируя пучки заряженных частиц, которые достигают скоростей, сопоставимых с теми, которые производятся с помощью традиционных ускорителей, но на очень малом расстоянии. Ученые рассматривают ЛПУ как компактный и экономически эффективный способ генерации протонных пучков, но эта технология имеет ряд проблем.

Одна из проблем возникает из-за высокоинтенсивного лазера, который уничтожает цели после каждого импульса, требуя новую цель для каждого выстрела. Другая проблема заключается в расхождении пучка — протонные пучки, создаваемые ЛПУ, обычно рассеиваются как прожектор, а не сохраняют узкий фокус.

В недавнем исследовании ученые SLAC совершили неожиданный прорыв, решив сразу две проблемы, хотя они намеревались решить только одну. Чтобы решить проблему неэффективности замены мишеней после каждого лазерного импульса, команда протестировала новую самовосстанавливающуюся водную мишень. Исследователи ввели тонкую пленку воды — самовосстанавливающийся поток, который пополняется после каждого выстрела. Когда лазер ударял по воде, он генерировал протонный пучок, как и ожидалось.

Новая мишень также дала неожиданный побочный эффект. Испарившаяся вода образовала облако пара вокруг мишени, которое взаимодействовало с протонным пучком, создавая магнитные поля. Эти поля естественным образом фокусировали пучок, в результате чего получался более яркий и более плотно выровненный протонный пучок. Слой воды уменьшил расходимость протонного пучка и увеличил эффективность пучка в 100 раз.

"Этот эффект был совершенно неожиданным", — отметил аспирант Гриффин Гленн.

Результаты были достигнуты с использованием легкодоступной низкоэнергетической лазерной системы. Исследование также показало, что этот подход можно масштабировать для систем с более высокой энергией, что позволит получать еще более яркие и энергичные протонные пучки.

"Эти захватывающие результаты открывают путь к новым применениям релятивистских мощных лазеров в медицине, исследованиях ускорителей и инерциальном термоядерном синтезе", — заявил профессор фотонной науки Зигфрид Гленцер.

В свою очередь исследователи из Института коммуникации, обработки информации и эргономики Фраунгофера (FKIE) реализовали проект, в рамках которого мобильный робот с лазером LiDAR исследует местность, испуская лазерные импульсы.