Το πίδακα παγωμένου υδρογόνου παρέχει έναν ανανεώσιμο στόχο για πρωτόνια που επιταχύνονται με λέιζερ - Physics World

Το πίδακα παγωμένου υδρογόνου παρέχει έναν ανανεώσιμο στόχο για πρωτόνια που επιταχύνονται με λέιζερ - Physics World

Χρονική σήμανση: 23 Αυγούστου 2023 4:00 π.μ.

Στιγμιότυπα του πίδακα υδρογόνου
Στιγμιότυπα του πίδακα υδρογόνου Σκιαγραφίες τη στιγμή της πρόσκρουσης του παλμού λέιζερ υψηλής έντασης στον πίδακα υδρογόνου. Ένας ασθενέστερος παλμός φωτός που στάλθηκε εκ των προτέρων άλλαξε σκόπιμα τον πίδακα υδρογόνου σε τρεις διαφορετικές αρχικές καταστάσεις. (Ευγενική προσφορά: © HZDR)

Οι επιστήμονες δημιούργησαν τον πρώτο παλμό λέιζερ πετάβατ τη δεκαετία του 1990. Στις δεκαετίες που ακολούθησαν, κατασκευάστηκαν λέιζερ που παράγουν ισχύ σε επίπεδο πετάβατ - ισοδύναμη με ένα τετράδισεκατο (1015) watt, ή ένα σημαντικό κλάσμα της ενέργειας που λαμβάνει η Γη από τον Ήλιο σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Μια πιθανή εφαρμογή της τεχνολογίας λέιζερ petawatt είναι οι προηγμένοι επιταχυντές ιόντων για θεραπεία σωματιδίων. Η συνεχής έρευνα έχει αφιερωθεί σε μυριάδες θέματα σε αυτόν τον τομέα, από την αύξηση της ενέργειας και των αποδόσεων των σωματιδίων έως τη βελτίωση της ποιότητας και του ελέγχου της δέσμης.

Στο ραντάρ των επιστημόνων βρίσκονται και στόχοι ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Η επιτάχυνση με λέιζερ λειτουργεί εκτοξεύοντας εξαιρετικά ισχυρούς παλμούς λέιζερ σε στόχους κατασκευασμένους από λεπτό μεταλλικό φύλλο. Η θερμότητα που παράγεται εκτοξεύει ηλεκτρόνια στο υλικό, ενώ οι βαρείς ατομικοί πυρήνες παραμένουν στη θέση τους, δημιουργώντας ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο που μπορεί στη συνέχεια να εκτοξεύσει έναν παλμό πρωτονίων.

Αλλά οι συμβατικοί στόχοι μεταλλικού φύλλου παρουσιάζουν δύο προκλήσεις για εφαρμογές ιόντων επιταχυνόμενων με λέιζερ. Πρώτον, οι έντονοι παλμοί λέιζερ βλάπτουν τους στόχους, επομένως χρειάζονται συχνή αντικατάσταση – καθιστώντας δύσκολη τη δημιουργία πολλών παλμών ιόντων ανά δευτερόλεπτο. Δεύτερον, με κάθε λήψη του λέιζερ, δημιουργούνται υπολείμματα και συσσωρεύονται στα οπτικά λέιζερ, μειώνοντας την ποιότητα του παλμού του λέιζερ. Με τους στόχους του φύλλου, τα ιόντα στη συνέχεια επιταχύνονται από ένα μολυσμένο στρώμα που περιέχει ένα μείγμα διαφορετικών υδρογονανθράκων, καθιστώντας την επιτάχυνση των σωματιδίων δύσκολο να ελεγχθεί.

Οι κρυογονικοί πίδακες υδρογόνου μπορεί να παρέχουν μια εναλλακτική λύση. Αυτοί οι στόχοι, οι οποίοι έχουν διερευνηθεί για σύντηξη αδράνειας περιορισμού και άλλες ερευνητικές μελέτες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία δεσμών πρωτονίων χωρίς να αντικαθίστανται τόσο συχνά όσο τα μεταλλικά φύλλα. Η απόδοσή τους ως πηγές πρωτονίων μέχρι σήμερα έχει περιοριστεί σε χαμηλές (σε σχέση με τις θεραπευτικές εφαρμογές) ενέργειες και αποδόσεις σωματιδίων, αλλά τα σημερινά σχέδια προσφέρουν έναν συνεχή πίδακα καθαρού υδρογόνου που, σύμφωνα με ένα πρόσφατο πείραμα απόδειξης, μπορεί να υπερβαίνει την απόδοση από μεταλλικά φύλλα.

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής ερευνητές στο Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) διερευνά το κρυογονικό πλάσμα πίδακα υδρογόνου μεγέθους μικρού ως εναλλακτική λύση σε στόχους μεταλλικού φύλλου. Το νήμα πλάσματος ανανεώνεται, έτσι το λέιζερ πετάβατ έχει έναν νέο στόχο για κάθε βολή.

«Από την αρχή, ήταν σαφές ότι αυτός ο τύπος στόχου είχε μερικά μοναδικά πλεονεκτήματα που δεν μπορούσες να βρεις εύκολα αλλού», λέει ο Martin Rehwald, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο HZDR.

Οι επιστήμονες του HZDR ανέφεραν για πρώτη φορά πρωτόνια επιταχυνόμενα με λέιζερ από κρυογονικούς πίδακες υδρογόνου το 2017 (στο Επιστημονικές Εκθέσεις, Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης και Εφαρμοσμένα γράμματα φυσικής). Η πιο πρόσφατη μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, περιγράφει διαφορετικά σχήματα επιτάχυνσης για το σύστημα λέιζερ-κρυογονικού στόχου πετάβατ.

Πειραματική ρύθμιση για πρωτόνια επιταχυνόμενα με λέιζερ
Πειραματικό στήσιμο Εκτοξεύοντας έναν έντονο παλμό (κόκκινο) από το λέιζερ υψηλής ισχύος HZDR DRACO σε έναν συνεχώς ανανεούμενο πίδακα παγωμένου υδρογόνου (μπλε) επιταχύνει μαζικά τα πρωτόνια σε μια εξαιρετικά μικρή απόσταση (πορτοκαλί). (Ευγενική προσφορά: © SLAC National Accelerator Laboratory/G Stewart)

Το υδρογόνο, υγροποιημένο σε ένα κρυογονικά ψυχόμενο χάλκινο κουτί, πιέζεται μέσω ενός ανοίγματος μεγέθους μικρού σε ένα κενό, όπου η ψύξη με εξάτμιση τίθεται για να σχηματίσει έναν στερεό στόχο. Τα επιταχυνόμενα με λέιζερ πρωτόνια παράγονται όταν μια δέσμη λέιζερ υψηλής έντασης χτυπά αυτόν τον κρυογονικό στόχο, με πιέσεις ακτινοβολίας που ωθούν τα ηλεκτρόνια έξω από το υδρογόνο και δημιουργούν τα ακραία ηλεκτρικά πεδία που απαιτούνται για την επιτάχυνση των πρωτονίων.

Η έρευνα της ομάδας HZDR έδειξε ότι η εκκίνηση του κρυογονικού πίδακα υδρογόνου με έναν ασθενέστερο παλμό φωτός πριν από τον κύριο παλμό αποδίδει διπλάσια αύξηση στην ενέργεια πρωτονίων (έως 80 MeV) σε σύγκριση με την περίπτωση μη εκκίνησης. Ο πιο αδύναμος παλμός επιτρέπει στο νήμα υδρογόνου να επεκταθεί – και να αυξηθεί η απόσταση επιτάχυνσης – πριν ο κύριος παλμός υψηλής έντασης χτυπήσει τον πίδακα.

Οι προσομοιώσεις υποδηλώνουν ότι μπορούν να αναμένονται ενέργειες πρωτονίων που υπερβαίνουν τα 100 MeV όταν βελτιστοποιούνται οι πειραματικές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένου του προφίλ πυκνότητας στόχου.

«Γνωρίζουμε από την προσομοίωση πώς να αυξήσουμε περαιτέρω τις ενέργειες πρωτονίων. Εδώ, η περιεκτικότητα σε υδρογόνο του στόχου μας επιτρέπει στην πραγματικότητα να μοντελοποιήσουμε την αλληλεπίδραση με μεγαλύτερη ακρίβεια σε σχέση με τα μεταλλικά φύλλα», λέει ο Rehwald. «Μπορείτε εύκολα να φανταστείτε [σχήματα επιτάχυνσης που] οδηγούν σε υψηλότερες ενέργειες σωματιδίων από το να έχετε απλώς ένα ακίνητο [ηλεκτρικό] πεδίο. Αλλά για να φτάσουμε σε τέτοια καθεστώτα, πρέπει να ταιριάξουμε με μεγάλη ακρίβεια τη δέσμη λέιζερ και το προφίλ πυκνότητας. Όλα αυτά μπορούν να γίνουν μόνο με μεγάλο έλεγχο του στόχου».

Οι ερευνητές έχουν ήδη αναπτύξει και εφαρμόσει μια συσκευή για να βοηθήσει στην αποφυγή βλάβης στον κρυοστάτη που προκαλείται από γρήγορα ηλεκτρόνια και άλλα σωματίδια που εκπέμπονται ως αποτέλεσμα αλληλεπιδράσεων λέιζερ-στόχου. Αυτή η συσκευή έκανε δυνατή την τρέχουσα μελέτη, λένε οι ερευνητές.

Στο μέλλον, αέρια όπως το ήλιο και το αργό θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή άλλων δεσμών ιόντων.

«Ετοιμάζουμε ένα νέο σύνολο πειραμάτων όπου θέλουμε να εφαρμόσουμε τη γνώση που αποκτήσαμε για, για παράδειγμα, να κατανοήσουμε περαιτέρω και να βελτιστοποιήσουμε τον μηχανισμό επιτάχυνσης καθώς και να βελτιώσουμε τη σταθερότητα της διαδικασίας επιτάχυνσής μας», λέει ο Rehwald. «Πιστεύουμε ότι οι πιθανές εφαρμογές των επιταχυντών πρωτονίων που κινούνται με λέιζερ θα ωφεληθούν από την έρευνά μας. Για παράδειγμα, αυτό θα μπορούσε να είναι ενδιαφέρον για νέες μεθόδους ακτινοθεραπείας στο μέλλον».

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής