Вирішили важливу проблему: вчені здійснили несподіваний прорив за допомогою лазерів і води

Дослідники зі Стенфордського центру акумуляторних батарей (SLAC) розробили новаторський метод генерації швидких, яскравих протонних пучків з використанням лазерно-плазмового прискорювача (ЛППУ), розв'язавши одразу дві важливі проблеми. Про це йдеться на офіційному сайті SLAC.

Як пояснюють учені, протонні пучки — це високошвидкісні потоки заряджених частинок, відомі своєю здатністю пошкоджувати або змінювати матеріали, з якими вони взаємодіють. Вони спрямовують свою енергію в певні місця, забезпечуючи точність, яка неможлива з іншими технологіями, такими як рентгенівські промені.

Це робить їх цінними в різних галузях: від лікування пухлин до травлення крихітних елементів на мікрочипах і напівпровідниках. При цьому створення цих надшвидких, енергійних пучків є складним завданням.

Звичайні прискорювачі частинок, як-от синхротрони, використовують низку електромагнітів для прискорення, управління та фокусування пучків частинок. Хоча ці прискорювачі призвели до багатьох відкриттів у науці, їхнє використання в медицині та промисловості обмежене через розмір.

Лазерно-плазмові прискорювачі (ЛПУ) можуть допомогти обійти це обмеження. Вони використовують лазери високої інтенсивності для удару по цілі, генеруючи пучки заряджених частинок, які досягають швидкостей, порівнянних з тими, які виробляються за допомогою традиційних прискорювачів, але на дуже малій відстані. Вчені розглядають ЛПУ як компактний і економічно ефективний спосіб генерації протонних пучків, але ця технологія має низку проблем.

Одна з проблем виникає через високоінтенсивний лазер, який знищує цілі після кожного імпульсу, вимагаючи нову ціль для кожного пострілу. Інша проблема полягає в розбіжності пучка — протонні пучки, створювані ЛПУ, зазвичай розсіюються як прожектор, а не зберігають вузький фокус.

У недавньому дослідженні вчені SLAC здійснили несподіваний прорив, вирішивши одразу дві проблеми, хоча вони мали намір вирішити тільки одну. Щоб вирішити проблему неефективності заміни мішеней після кожного лазерного імпульсу, команда протестувала нову самовідновлювану водну мішень. Дослідники ввели тонку плівку води — самовідновлюваний потік, який поповнюється після кожного пострілу. Коли лазер ударяв по воді, він генерував протонний пучок, як і очікувалося.

Нова мішень також дала несподіваний побічний ефект. Вода, що випарувалася, утворила хмару пари навколо мішені, яка взаємодіяла з протонним пучком, створюючи магнітні поля. Ці поля природним чином фокусували пучок, унаслідок чого виходив більш яскравий і більш щільно вирівняний протонний пучок. Шар води зменшив розхідність протонного пучка і збільшив ефективність пучка в 100 разів.

"Цей ефект був абсолютно несподіваним", — зазначив аспірант Гріффін Гленн.

Результати були досягнуті з використанням легкодоступної низькоенергетичної лазерної системи. Дослідження також показало, що цей підхід можна масштабувати для систем із вищою енергією, що дасть змогу отримувати ще більш яскраві та енергійні протонні пучки.

"Ці захопливі результати відкривають шлях до нових застосувань релятивістських потужних лазерів у медицині, дослідженнях прискорювачів та інерціальному термоядерному синтезі", — заявив професор фотонної науки Зігфрід Гленцер.

Нагадаємо, вчені з Університету Геріот-Вотта у Великій Британії розробили нову лазерну систему LiDAR, яка може "бачити" крізь туман і дим, виявляючи приховані об'єкти і надаючи розширені можливості дистанційного зондування.

Зі свого боку дослідники з Інституту комунікації, обробки інформації та ергономіки Фраунгофера (FKIE) реалізували проєкт, у рамках якого мобільний робот із лазером LiDAR досліджує місцевість, випускаючи лазерні імпульси.