Un chorro de hidrógeno congelado proporciona un objetivo renovable para protones acelerados por láser – Physics World

Los científicos generaron el primer pulso láser de petavatios en los años 1990. En las décadas siguientes, se construyeron láseres que producían potencia a nivel de petavatios, equivalente a un cuatrillón (10¹⁵) vatios, o una fracción significativa de la energía que la Tierra recibe del Sol en un corto período de tiempo.

Una aplicación potencial de la tecnología láser de petavatios son los aceleradores de iones avanzados para la terapia de partículas. La investigación en curso se ha dedicado a innumerables temas en esta área, desde el aumento de la energía y el rendimiento de las partículas hasta la mejora de la calidad y el control del haz.

Los objetivos renovables también están en el radar de los científicos.

La aceleración impulsada por láser funciona disparando pulsos láser extremadamente potentes contra objetivos hechos de una fina lámina metálica. El calor generado expulsa electrones en el material, mientras que los núcleos atómicos pesados ​​permanecen en su lugar, creando un fuerte campo eléctrico que luego puede lanzar un pulso de protones.

Pero los objetivos de láminas metálicas convencionales presentan dos desafíos para las aplicaciones de iones acelerados por láser. En primer lugar, los intensos pulsos del láser dañan los objetivos, por lo que necesitan ser reemplazados con frecuencia, lo que dificulta la generación de varios pulsos de iones por segundo. En segundo lugar, con cada disparo del láser, se generan residuos que se acumulan en la óptica del láser, lo que reduce la calidad del pulso del láser. Con objetivos de lámina, los iones se aceleran desde una capa contaminada que contiene una mezcla de diferentes hidrocarburos, lo que hace que la aceleración de las partículas sea difícil de controlar.

Los chorros de hidrógeno criogénicos pueden ofrecer una alternativa. Estos objetivos, que han sido explorados para la fusión por confinamiento inercial y otros estudios de investigación, pueden usarse para generar haces de protones sin ser reemplazados con tanta frecuencia como las láminas metálicas. Su rendimiento como fuentes de protones hasta la fecha se ha limitado a energías y rendimientos de partículas bajos (con respecto a aplicaciones terapéuticas), pero los diseños actuales ofrecen un chorro continuo de hidrógeno puro que, según sugiere un reciente experimento de prueba de concepto, podría superar el rendimiento. de láminas metálicas.

Un grupo internacional de científicos dirigido por investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) está investigando plasma de chorro de hidrógeno criogénico del tamaño de una micra como alternativa a los objetivos de láminas metálicas. El filamento de plasma se renueva, por lo que el láser de petavatios tiene un nuevo objetivo para cada disparo.

"Desde el principio quedó claro que este tipo de objetivo tenía algunas ventajas únicas que no se podían encontrar fácilmente en otros lugares", afirma Martin Rehwald, investigador postdoctoral del HZDR.

Los científicos del HZDR informaron por primera vez sobre protones acelerados por láser procedentes de chorros de hidrógeno criogénicos en 2017 (en Informes científicos, Physical Review Letters y Applied Physics Letters). Su estudio más reciente, publicado en Nature Communications, describe diferentes esquemas de aceleración para su sistema objetivo criogénico con láser de petavatios.

El hidrógeno, licuado en una caja de cobre enfriada criogénicamente, se presiona a través de una abertura del tamaño de una micra hacia el vacío, donde se inicia el enfriamiento por evaporación para formar un objetivo sólido. Los protones acelerados por láser se producen cuando un rayo láser de alta intensidad golpea este objetivo criogénico, con presiones de radiación que empujan los electrones fuera del hidrógeno y crean los campos eléctricos extremos necesarios para acelerar los protones.

La investigación del equipo HZDR demostró que cebar el chorro de hidrógeno criogénico con un pulso de luz más débil antes del pulso principal produce un aumento del doble en la energía de los protones (hasta 80 MeV) en comparación con el caso no cebado. El pulso más débil permite que el filamento de hidrógeno se expanda (y aumente la distancia de aceleración) antes de que el pulso principal de alta intensidad llegue al chorro.

Las simulaciones sugieren que se pueden esperar energías de protones superiores a 100 MeV cuando se optimizan las condiciones experimentales, incluido el perfil de densidad objetivo.

“Sabemos por simulación cómo aumentar aún más la energía de los protones. En este caso, el contenido de hidrógeno del objetivo nos permite modelar la interacción con mayor precisión con respecto a láminas metálicas», afirma Rehwald. “Se pueden imaginar fácilmente [esquemas de aceleración que] conducen a energías de partículas más altas que simplemente tener un campo [eléctrico] estacionario. Pero para alcanzar tales regímenes, necesitamos hacer coincidir nuestro rayo láser y el perfil de densidad con mucha precisión. Todo esto sólo se puede hacer con un gran control del objetivo”.

El objetivo de grafeno aumenta la aceleración de iones impulsada por láser

Los investigadores ya han desarrollado e implementado un dispositivo para ayudar a prevenir daños al criostato causados ​​por electrones rápidos y otras partículas emitidas como resultado de las interacciones entre el láser y el objetivo. Ese dispositivo hizo posible el estudio actual, dicen los investigadores.

En el futuro, se podrían utilizar gases como el helio y el argón para producir otros haces de iones.

"Estamos preparando una nueva serie de experimentos en los que queremos aplicar los conocimientos adquiridos para, por ejemplo, comprender y optimizar mejor el mecanismo de aceleración, así como mejorar la estabilidad de nuestro proceso de aceleración", afirma Rehwald. “Creemos que las aplicaciones potenciales de los aceleradores de protones impulsados ​​por láser se beneficiarán de nuestra investigación. Esto podría ser interesante, por ejemplo, para nuevos métodos de radioterapia en el futuro”.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/jet-of-frozen-hydrogen-provides-a-renewable-target-for-laser-accelerated-protons/