Jäätyneen vedyn suihku tarjoaa uusiutuvan kohteen laserkiihdytetyille protoneille – Physics World

Tutkijat loivat ensimmäisen petawattisen laserpulssin 1990-luvulla. Seuraavina vuosikymmeninä rakennettiin lasereita, jotka tuottavat petawattitason tehoa – kvadriljoonaa (10¹⁵) wattia eli merkittävän osan energiasta, jonka Maa saa Auringosta lyhyessä ajassa.

Yksi petawattilaserteknologian potentiaalinen sovellus on kehittyneet ionikiihdyttimet hiukkashoitoon. Jatkuva tutkimus on omistettu lukemattomille aiheille tällä alueella hiukkasten energian ja saannon lisäämisestä säteen laadun ja hallinnan parantamiseen.

Uusiutuvat kohteet ovat myös tutkijoiden tutkassa.

Laserohjattu kiihdytys laukaisee erittäin tehokkaita laserpulsseja ohuesta metallikalvosta valmistettuihin kohteisiin. Syntynyt lämpö heittää ulos elektroneja materiaalissa, kun taas raskaat atomiytimet pysyvät paikoillaan luoden vahvan sähkökentän, joka voi sitten laukaista protonipulssin.

Mutta perinteiset metallikalvokohteet asettavat kaksi haastetta laserkiihdytettyjen ionien sovelluksille. Ensinnäkin voimakkaat laserpulssit vahingoittavat kohteita, joten ne on vaihdettava usein – mikä vaikeuttaa useiden ionipulssien tuottamista sekunnissa. Toiseksi jokaisella laserin laukauksella syntyy roskia, joka kerääntyy laseroptiikkaan, mikä heikentää laserpulssin laatua. Foliokohteissa ioneja kiihdytetään sitten saastuneesta kerroksesta, joka sisältää sekoituksen erilaisia ​​hiilivetyjä, mikä tekee hiukkaskiihtyvyydestä vaikeasti hallittavissa.

Kryogeeniset vetysuihkut voivat tarjota vaihtoehdon. Näitä kohteita, joita on tutkittu inertiasulkufuusiossa ja muissa tutkimuksissa, voidaan käyttää protonisäteiden tuottamiseen ilman, että niitä vaihdetaan yhtä usein kuin metallikalvot. Niiden suorituskyky protonilähteinä on tähän mennessä rajoittunut alhaisiin (terapeuttisten sovellusten osalta) hiukkasten energioihin ja saantoihin, mutta nykyiset mallit tarjoavat jatkuvan puhtaan vedyn suihkun, joka äskettäisen konseptikokeen ehdottaa, että se saattaa ylittää suorituskyvyn. metallikalvoista.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin tutkijoiden johtama kansainvälinen tutkijaryhmä (HZDR) tutkii mikronikokoista kryogeenistä vetysuihkuplasmaa vaihtoehtona metallikalvokohteisiin. Plasmalanka uusiutuu, joten petawattilaseerilla on jokaiselle laukaukselle uusi kohde.

"Alusta lähtien oli selvää, että tämäntyyppisillä kohteilla oli ainutlaatuisia etuja, joita ei helposti muualta löytynyt", sanoo Martin Rehwald, HZDR:n tutkijatohtori.

HZDR-tutkijat raportoivat ensimmäisen kerran kryogeenisten vetysuihkujen laserkiihdytetyistä protoneista vuonna 2017 (v. Tieteellinen raportit, Fyysisen tarkastelun kirjaimet ja Sovellettu fysiikan kirjaimet). Heidän viimeisin tutkimuksensa, joka julkaistiin vuonna Luonto Viestintä, kuvaa erilaisia ​​kiihdytysmenetelmiä petawattisen laserkryogeeniselle kohdejärjestelmälleen.

Kryogeenisesti jäähdytetyssä kuparilaatikossa nesteytetty vety puristetaan mikronin kokoisen aukon läpi tyhjiöön, jossa haihtuva jäähdytys alkaa muodostaa kiinteän kohteen. Laserkiihdytettyjä protoneja syntyy, kun korkean intensiteetin lasersäde osuu tähän kryogeeniseen kohteeseen, jolloin säteilypaineet työntää elektroneja vedystä ja luo äärimmäisiä sähkökenttiä, joita tarvitaan protonien kiihdyttämiseen.

HZDR-ryhmän tutkimus osoitti, että kryogeenisen vetysuihkun esikäsittely heikommalla valopulssilla ennen pääpulssia tuottaa kaksinkertaisen lisäyksen protonienergiassa (jopa 80 MeV) verrattuna esittelemättömään tapaukseen. Heikompi pulssi mahdollistaa vetyfilamentin laajenemisen – ja kiihtyvyysetäisyyden kasvamisen – ennen kuin suuritehoinen pääpulssi osuu suihkuun.

Simulaatiot viittaavat siihen, että yli 100 MeV:n protonienergiaa voidaan odottaa, kun koeolosuhteet, mukaan lukien tavoitetiheysprofiili, optimoidaan.

”Tiedämme simulaatiosta, kuinka protonien energioita voidaan edelleen lisätä. Tässä kohteen vetypitoisuuden ansiosta voimme itse asiassa mallintaa vuorovaikutusta tarkemmin metallikalvojen suhteen”, Rehwald sanoo. "Voit helposti kuvitella [kiihtyvyysjärjestelmiä, jotka] johtavat korkeampiin hiukkasenergioihin kuin vain paikallaan oleva [sähkö]kenttä. Mutta saavuttaaksemme tällaiset järjestelmät, meidän on sovitettava lasersäteemme ja tiheysprofiilimme erittäin tarkasti. Kaikki tämä voidaan tehdä vain hallitsemalla kohdetta hyvin."

Grafeenikohde tehostaa laserohjattua ionikiihtyvyyttä

Tutkijat ovat jo kehittäneet ja ottaneet käyttöön laitteen, joka auttaa estämään kryostaatin vaurioita, jotka aiheutuvat nopeista elektroneista ja muista laser-kohdevuorovaikutuksista aiheutuvista hiukkasista. Tämä laite teki nykyisen tutkimuksen mahdolliseksi, tutkijat sanovat.

Tulevaisuudessa kaasuja, kuten heliumia ja argonia, voitaisiin käyttää muiden ionisuihkujen tuottamiseen.

– Valmistelemme uusia kokeita, joissa haluamme soveltaa saatua tietoa esimerkiksi kiihdytysmekanismin ymmärtämiseen ja optimointiin sekä kiihdytysprosessimme vakauden parantamiseen, Rehwald kertoo. "Uskomme, että laserohjattujen protonikiihdyttimien mahdolliset sovellukset hyötyvät tutkimuksestamme. Tämä voisi kiinnostaa esimerkiksi uusia sädehoitomenetelmiä tulevaisuudessa."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• ChartPrime. Nosta kaupankäyntipeliäsi ChartPrimen avulla. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/jet-of-frozen-hydrogen-provides-a-renewable-target-for-laser-accelerated-protons/