Jet af frossen brint giver et vedvarende mål for laseraccelererede protoner – Physics World

Jet af frossen brint giver et vedvarende mål for laseraccelererede protoner – Physics World

Tidsstempel: 23. august 2023 kl. 4

Snapshots af brintstrålen
Snapshots af brintstrålen Skyggebilleder på tidspunktet for indvirkningen af ​​den højintensive laserimpuls på brintstrålen. En svagere lysimpuls sendt i forvejen ændrede bevidst brintstrålen til tre forskellige begyndelsestilstande. (Med høflighed: © HZDR)

Forskere genererede den første petawatt laserpuls i 1990'erne. I de efterfølgende årtier blev der bygget lasere, der producerer strøm på petawat-niveau - svarende til en kvadrillion (1015) watt eller en betydelig brøkdel af den energi, Jorden modtager fra Solen på kort tid.

En potentiel anvendelse af petawatt-laserteknologi er avancerede ionacceleratorer til partikelterapi. Løbende forskning har været dedikeret til utallige emner inden for dette område, fra stigende partikelenergier og udbytte til forbedring af strålekvalitet og kontrol.

Vedvarende mål er også på forskernes radar.

Laserdrevet acceleration virker ved at affyre ekstremt kraftige laserimpulser mod mål lavet af tynd metallisk folie. Den genererede varme udstøder elektroner i materialet, mens de tunge atomkerner forbliver på plads, hvilket skaber et stærkt elektrisk felt, som derefter kan sende en puls af protoner.

Men konventionelle metalliske foliemål giver to udfordringer for anvendelser af laseraccelererede ioner. For det første beskadiger intense laserimpulser mål, så de har brug for hyppig udskiftning - hvilket gør det vanskeligt at generere flere ionimpulser i sekundet. For det andet, med hvert skud af laseren, genereres snavs og samler sig på laseroptikken, hvilket reducerer kvaliteten af ​​laserimpulsen. Med foliemål accelereres ioner derefter fra et forurenet lag, der indeholder en blanding af forskellige kulbrinter, hvilket gør partikelaccelerationen svær at kontrollere.

Kryogene brintstråler kan være et alternativ. Disse mål, som er blevet udforsket til inertial indeslutningsfusion og andre forskningsundersøgelser, kan bruges til at generere protonstråler uden at blive udskiftet så ofte som metalliske folier. Deres ydeevne som protonkilder har hidtil været begrænset til lave (med hensyn til terapeutiske anvendelser) partikelenergier og udbytter, men nuværende design tilbyder en kontinuerlig stråle af rent brint, som et nyligt proof-of-concept-eksperiment antyder, kan overstige ydeevnen af metalfolier.

En international gruppe af forskere ledet af forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) undersøger kryogent hydrogenjetplasma i mikronstørrelse som et alternativ til metalliske foliemål. Plasma-tråden fornyer sig selv, så petawatt-laseren har et nyt mål for hvert skud.

"Fra begyndelsen var det klart, at denne type mål havde nogle unikke fordele, som man ikke nemt kunne finde andre steder," siger Martin Rehwald, der er postdoc ved HZDR.

HZDR-forskere rapporterede først om laseraccelererede protoner fra kryogene brintstråler i 2017 (i Videnskabelige rapporter, Physical Review Letters , Applied Physics Letters). Deres seneste undersøgelse, offentliggjort i Nature Communications, beskriver forskellige accelerationsskemaer for deres petawatt laser-kryogene målsystem.

Eksperimentel opsætning for laseraccelererede protoner
Forsøgsopstilling At skyde en intens puls (rød) fra HZDR højeffektlaseren DRACO på en kontinuerligt genopfyldende frossen brintstråle (blå) accelererer protoner massivt over en ekstrem kort afstand (orange). (Med høflighed: © SLAC National Accelerator Laboratory/G Stewart)

Hydrogen, der er flydende i en kryogenisk afkølet kobberkasse, presses gennem en mikronstørrelse ind i et vakuum, hvor fordampningskøling sætter ind for at danne et fast mål. Laseraccelererede protoner produceres, når en højintensiv laserstråle rammer dette kryogene mål, hvor strålingstryk skubber elektroner ud af brinten og skaber de ekstreme elektriske felter, der er nødvendige for at accelerere protoner.

HZDR-teamets forskning viste, at priming af den kryogene brintstråle med en svagere lyspuls før hovedpulsen giver en dobbelt stigning i protonenergi (op til 80 MeV) sammenlignet med det ikke-primede tilfælde. Den svagere puls tillader brintglødetråden at udvide sig – og accelerationsafstanden at stige – før den primære højintensive puls rammer strålen.

Simuleringer tyder på, at protonenergier over 100 MeV kan forventes, når eksperimentelle forhold, herunder måltæthedsprofilen, er optimeret.

”Vi ved fra simulering, hvordan man kan øge protonenergierne yderligere. Her giver brintindholdet i målet os faktisk mulighed for at modellere interaktionen mere præcist med hensyn til metalliske folier,” siger Rehwald. "Du kan nemt forestille dig [accelerationsskemaer, der] fører til højere partikelenergier end blot at have et stationært [elektrisk] felt. Men for at nå sådanne regimer er vi nødt til at matche vores laserstråle og tæthedsprofilen meget præcist. Alt dette kan kun gøres med stor kontrol over målet."

Forskerne har allerede udviklet og implementeret en enhed, der hjælper med at forhindre skader på kryostaten forårsaget af hurtige elektroner og andre partikler, der udsendes som følge af laser-mål-interaktioner. Den enhed gjorde det nuværende studie muligt, siger forskerne.

I fremtiden vil gasser som helium og argon kunne bruges til at producere andre ionstråler.

"Vi er ved at forberede et nyt sæt eksperimenter, hvor vi ønsker at anvende den opnåede viden til for eksempel yderligere at forstå og optimere accelerationsmekanismen samt forbedre stabiliteten af ​​vores accelerationsproces," siger Rehwald. "Vi tror, ​​at potentielle anvendelser af laserdrevne protonacceleratorer vil drage fordel af vores forskning. Det kunne for eksempel være interessant for nye metoder til strålebehandling i fremtiden.”

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden