Il getto di idrogeno congelato fornisce un obiettivo rinnovabile per i protoni accelerati dal laser – Physics World

Gli scienziati hanno generato il primo impulso laser da petawatt negli anni '1990. Nei decenni successivi furono costruiti laser che producevano una potenza pari a un petawatt, equivalente a un quadrilione (10¹⁵) watt, ovvero una frazione significativa dell'energia che la Terra riceve dal Sole in un breve lasso di tempo.

Una potenziale applicazione della tecnologia laser a petawatt riguarda gli acceleratori ionici avanzati per la terapia con particelle. La ricerca in corso è stata dedicata a una miriade di argomenti in quest'area, dall'aumento dell'energia e della resa delle particelle al miglioramento della qualità e del controllo del raggio.

Anche gli obiettivi rinnovabili sono sul radar degli scienziati.

L'accelerazione laser funziona sparando impulsi laser estremamente potenti su bersagli costituiti da una sottile lamina metallica. Il calore generato espelle gli elettroni nel materiale, mentre i nuclei atomici pesanti rimangono al loro posto, creando un forte campo elettrico che può quindi lanciare un impulso di protoni.

Ma i bersagli convenzionali in lamina metallica presentano due sfide per le applicazioni di ioni accelerati dal laser. Innanzitutto, gli intensi impulsi laser danneggiano i bersagli, quindi necessitano di frequenti sostituzioni, rendendo difficile la generazione di diversi impulsi ionici al secondo. In secondo luogo, a ogni colpo del laser vengono generati detriti che si accumulano sull'ottica del laser, riducendo la qualità dell'impulso laser. Con i target a lamina, gli ioni vengono quindi accelerati da uno strato contaminato contenente una miscela di diversi idrocarburi, rendendo difficile il controllo dell'accelerazione delle particelle.

I getti di idrogeno criogenico possono fornire un’alternativa. Questi obiettivi, che sono stati esplorati per la fusione a confinamento inerziale e altri studi di ricerca, possono essere utilizzati per generare fasci di protoni senza essere sostituiti con la stessa frequenza dei fogli metallici. Le loro prestazioni come sorgenti di protoni fino ad oggi sono state limitate a energie e rese di particelle basse (rispetto alle applicazioni terapeutiche), ma i progetti attuali offrono un getto continuo di idrogeno puro che, suggerisce un recente esperimento di prova di concetto, potrebbe superare le prestazioni di lamine metalliche.

Un gruppo internazionale di scienziati guidati da ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sta studiando il plasma a getto di idrogeno criogenico di dimensioni micron come alternativa ai bersagli di lamina metallica. Il filamento del plasma si rinnova, quindi il laser da petawatt ha un nuovo bersaglio per ogni colpo.

"Fin dall'inizio, era chiaro che questo tipo di obiettivo presentava alcuni vantaggi unici che non si potevano trovare facilmente altrove", afferma Martin Rehwald, ricercatore post-dottorato presso HZDR.

Gli scienziati dell'HZDR hanno riferito per la prima volta di protoni accelerati dal laser provenienti da getti di idrogeno criogenico nel 2017 (in Rapporti scientifici, Physical Review Letters ed Applied Physics Letters). Il loro studio più recente, pubblicato in Nature Communications, descrive diversi schemi di accelerazione per il loro sistema bersaglio laser-criogenico da petawatt.

L'idrogeno, liquefatto in una scatola di rame raffreddata criogenicamente, viene pressato attraverso un'apertura delle dimensioni di un micron nel vuoto, dove il raffreddamento evaporativo inizia a formare un bersaglio solido. I protoni accelerati dal laser vengono prodotti quando un raggio laser ad alta intensità colpisce questo bersaglio criogenico, con pressioni di radiazione che spingono gli elettroni fuori dall’idrogeno e creano i campi elettrici estremi necessari per accelerare i protoni.

La ricerca del team HZDR ha dimostrato che innescando il getto di idrogeno criogenico con un impulso luminoso più debole prima dell'impulso principale si ottiene un aumento doppio dell'energia protonica (fino a 80 MeV) rispetto al caso non innescato. L’impulso più debole consente al filamento di idrogeno di espandersi – e alla distanza di accelerazione di aumentare – prima che l’impulso principale ad alta intensità colpisca il getto.

Le simulazioni suggeriscono che si possono prevedere energie protoniche superiori a 100 MeV quando le condizioni sperimentali, incluso il profilo di densità target, sono ottimizzate.

“Sappiamo dalla simulazione come aumentare ulteriormente le energie dei protoni. In questo caso, il contenuto di idrogeno del bersaglio ci consente effettivamente di modellare l’interazione in modo più preciso rispetto alle lamine metalliche”, afferma Rehwald. “Si può facilmente immaginare [schemi di accelerazione che] portano a energie delle particelle più elevate rispetto al semplice fatto di avere un campo [elettrico] stazionario. Ma per raggiungere tali regimi, dobbiamo far corrispondere il nostro raggio laser e il profilo di densità in modo molto preciso. Tutto questo può essere fatto solo con un grande controllo del bersaglio”.

Il bersaglio in grafene aumenta l'accelerazione ionica guidata dal laser

I ricercatori hanno già sviluppato e implementato un dispositivo per aiutare a prevenire i danni al criostato causati dagli elettroni veloci e da altre particelle emesse a seguito delle interazioni laser-bersaglio. Quel dispositivo ha reso possibile lo studio attuale, dicono i ricercatori.

In futuro, gas come l’elio e l’argon potrebbero essere utilizzati per produrre altri fasci ionici.

"Stiamo preparando una nuova serie di esperimenti in cui vogliamo applicare le conoscenze acquisite, ad esempio, per comprendere e ottimizzare ulteriormente il meccanismo di accelerazione e per migliorare la stabilità del nostro processo di accelerazione", afferma Rehwald. “Riteniamo che le potenziali applicazioni degli acceleratori di protoni guidati dal laser trarranno beneficio dalla nostra ricerca. Ad esempio, questo potrebbe essere interessante per nuovi metodi di radioterapia in futuro”.

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