Ein Strahl aus gefrorenem Wasserstoff bietet ein erneuerbares Ziel für laserbeschleunigte Protonen – Physics World

Wissenschaftler erzeugten in den 1990er Jahren den ersten Petawatt-Laserpuls. In den folgenden Jahrzehnten wurden Laser gebaut, die eine Leistung im Petawatt-Bereich erzeugen – das entspricht einer Billiarde (10).¹⁵) Watt oder ein erheblicher Teil der Energie, die die Erde in kurzer Zeit von der Sonne erhält.

Eine mögliche Anwendung der Petawatt-Lasertechnologie sind fortschrittliche Ionenbeschleuniger für die Partikeltherapie. Die laufende Forschung widmet sich unzähligen Themen in diesem Bereich, von der Erhöhung der Teilchenenergien und -ausbeuten bis hin zur Verbesserung der Strahlqualität und -kontrolle.

Auch erneuerbare Ziele stehen auf dem Radar der Wissenschaftler.

Bei der lasergesteuerten Beschleunigung werden extrem starke Laserimpulse auf Ziele aus dünner Metallfolie abgefeuert. Durch die erzeugte Wärme werden Elektronen aus dem Material ausgestoßen, während die schweren Atomkerne an Ort und Stelle bleiben und ein starkes elektrisches Feld erzeugen, das dann einen Protonenimpuls auslösen kann.

Allerdings stellen konventionelle Metallfolien-Targets zwei Herausforderungen für Anwendungen laserbeschleunigter Ionen dar. Erstens beschädigen intensive Laserpulse Ziele, sodass sie häufig ausgetauscht werden müssen – was es schwierig macht, mehrere Ionenpulse pro Sekunde zu erzeugen. Zweitens werden bei jedem Schuss des Lasers Ablagerungen erzeugt, die sich auf der Laseroptik ansammeln und die Qualität des Laserimpulses verringern. Bei Folientargets werden Ionen dann aus einer kontaminierten Schicht beschleunigt, die eine Mischung verschiedener Kohlenwasserstoffe enthält, wodurch die Partikelbeschleunigung schwer zu kontrollieren ist.

Eine Alternative könnten kryogene Wasserstoffstrahlen sein. Diese Ziele, die für die Trägheitsfusion und andere Forschungsstudien untersucht wurden, können zur Erzeugung von Protonenstrahlen verwendet werden, ohne dass sie so häufig ausgetauscht werden müssen wie Metallfolien. Ihre Leistung als Protonenquelle war bisher auf niedrige (im Hinblick auf therapeutische Anwendungen) Teilchenenergien und -ausbeuten beschränkt, aber aktuelle Designs bieten einen kontinuierlichen Strahl reinen Wasserstoffs, der, wie ein aktuelles Proof-of-Concept-Experiment nahelegt, die Leistung übertreffen könnte aus Metallfolien.

Eine internationale Wissenschaftlergruppe unter der Leitung von Forschern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) untersucht mikrometergroßes kryogenes Wasserstoffstrahlplasma als Alternative zu Metallfolientargets. Der Plasmafaden erneuert sich, sodass der Petawatt-Laser bei jedem Schuss ein neues Ziel hat.

„Von Anfang an war klar, dass diese Art von Target einige einzigartige Vorteile hat, die man anderswo nicht so leicht finden konnte“, sagt Martin Rehwald, Postdoktorand am HZDR.

HZDR-Wissenschaftler berichteten erstmals im Jahr 2017 über laserbeschleunigte Protonen aus kryogenen Wasserstoffstrahlen Wissenschaftliche Berichte, Physical Review Letters und Applied Physics Letters). Ihre neueste Studie, veröffentlicht in Nature Communications veröffentlicht , beschreibt verschiedene Beschleunigungsschemata für ihr Petawatt-Laser-Kryogen-Zielsystem.

Wasserstoff, der in einer kryogen gekühlten Kupferbox verflüssigt wird, wird durch eine mikrometergroße Öffnung in ein Vakuum gepresst, wo die Verdunstungskühlung einsetzt und ein festes Target bildet. Laserbeschleunigte Protonen entstehen, wenn ein hochintensiver Laserstrahl auf dieses kryogene Ziel trifft, wobei der Strahlungsdruck Elektronen aus dem Wasserstoff drückt und die extremen elektrischen Felder erzeugt, die zur Beschleunigung von Protonen erforderlich sind.

Die Untersuchungen des HZDR-Teams zeigten, dass das Vorbereiten des kryogenen Wasserstoffstrahls mit einem schwächeren Lichtpuls vor dem Hauptpuls zu einer Verdoppelung der Protonenenergie (bis zu 80 MeV) im Vergleich zum nichtvorbereiteten Fall führt. Durch den schwächeren Puls kann sich der Wasserstofffaden ausdehnen – und die Beschleunigungsstrecke vergrößern –, bevor der hochintensive Hauptpuls auf den Jet trifft.

Simulationen deuten darauf hin, dass Protonenenergien von mehr als 100 MeV zu erwarten sind, wenn die experimentellen Bedingungen, einschließlich des Zieldichteprofils, optimiert werden.

„Wir wissen aus Simulationen, wie wir die Protonenenergien weiter erhöhen können. Hier ermöglicht uns der Wasserstoffgehalt des Targets tatsächlich, die Wechselwirkung in Bezug auf Metallfolien genauer zu modellieren“, sagt Rehwald. „Man kann sich leicht [Beschleunigungsschemata] vorstellen, die zu höheren Teilchenenergien führen, als nur ein stationäres [elektrisches] Feld.“ Aber um solche Regime zu erreichen, müssen wir unseren Laserstrahl und das Dichteprofil sehr genau aufeinander abstimmen. All dies kann nur mit großer Kontrolle über das Ziel erreicht werden.“

Graphen-Target steigert die lasergesteuerte Ionenbeschleunigung

Die Forscher haben bereits ein Gerät entwickelt und implementiert, das dabei helfen soll, Schäden am Kryostat zu verhindern, die durch schnelle Elektronen und andere Partikel verursacht werden, die infolge von Laser-Ziel-Wechselwirkungen emittiert werden. Dieses Gerät habe die aktuelle Studie ermöglicht, sagen die Forscher.

Zukünftig könnten Gase wie Helium und Argon zur Erzeugung anderer Ionenstrahlen genutzt werden.

„Wir bereiten eine neue Versuchsreihe vor, bei der wir die gewonnenen Erkenntnisse nutzen wollen, um beispielsweise den Beschleunigungsmechanismus besser zu verstehen und zu optimieren sowie die Stabilität unseres Beschleunigungsprozesses zu verbessern“, sagt Rehwald. „Wir glauben, dass potenzielle Anwendungen laserbetriebener Protonenbeschleuniger von unserer Forschung profitieren werden. Dies könnte beispielsweise für neue Methoden der Strahlentherapie in der Zukunft von Interesse sein.“

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
• PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• PlatoESG. Automobil / Elektrofahrzeuge, Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
• PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
• ChartPrime. Verbessern Sie Ihr Handelsspiel mit ChartPrime. Hier zugreifen.
• BlockOffsets. Modernisierung des Eigentums an Umweltkompensationen. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/jet-of-frozen-hydrogen-provides-a-renewable-target-for-laser-accelerated-protons/