冷凍水素のジェットがレーザー加速陽子の再生可能ターゲットを提供 – Physics World

科学者たちは 1990 年代に最初のペタワットのレーザー パルスを生成しました。 その後数十年間で、10 京 (XNUMX 兆) に相当するペタワット レベルの出力を生成するレーザーが構築されました。¹⁵) ワット、または地球が短時間に太陽から受け取るエネルギーのかなりの部分を占めます。

ペタワットレーザー技術の潜在的な応用例の XNUMX つは、粒子線治療用の高度なイオン加速器です。 現在進行中の研究は、粒子エネルギーと収量の増加からビーム品質と制御の改善に至るまで、この分野の無数のトピックに特化して行われています。

再生可能なターゲットも科学者の注目を集めています。

レーザー駆動の加速は、薄い金属箔でできたターゲットに非常に強力なレーザー パルスを発射することによって機能します。 発生した熱により材料内の電子が放出されますが、重い原子核はその場に留まり、陽子のパルスを発射できる強力な電場が生成されます。

しかし、従来の金属箔ターゲットには、レーザー加速イオンの応用に関して XNUMX つの課題があります。 まず、強力なレーザー パルスはターゲットに損傷を与えるため、頻繁に交換する必要があり、XNUMX 秒間に数回のイオン パルスを生成することが困難になります。 第 XNUMX に、レーザーのショットごとに破片が生成され、レーザー光学系に蓄積され、レーザー パルスの品質が低下します。 フォイルターゲットを使用すると、さまざまな炭化水素の混合物を含む汚染層からイオンが加速されるため、粒子の加速を制御することが困難になります。

極低温水素ジェットが代替手段となる可能性があります。 これらのターゲットは、慣性閉じ込め核融合やその他の研究研究のために探査されており、金属箔ほど頻繁に交換することなく陽子ビームを生成するために使用できます。 これまでの陽子線源としての性能は、（治療用途に関して）低い粒子エネルギーと収量に限定されてきましたが、現在の設計では純水素の連続ジェットを提供しており、最近の概念実証実験ではその性能を超える可能性があることが示唆されています。金属箔のこと。

ドレスデン・ロッセンドルフ・ヘルムホルツツェントルムの研究者が率いる国際的な科学者グループ (HZDR) は、金属箔ターゲットの代替品としてミクロンサイズの極低温水素ジェットプラズマを研究しています。 プラズマ フィラメントは自動的に更新されるため、ペタワット レーザーはショットごとに新しいターゲットを設定します。

「最初から、このタイプのターゲットには、他では簡単に見つけられないいくつかの独特の利点があることは明らかでした」と、HZDR の博士研究員 Martin Rehwald 氏は言います。

HZDR の科学者は、2017 年に極低温水素ジェットからのレーザー加速陽子について初めて報告しました。 科学的なレポート, Physical Review Lettersに および アプライドフィジックスレターズ）。 彼らの最新の研究は、 ネイチャー·コミュニケーションズは、ペタワットのレーザー極低温ターゲット システムのさまざまな加速スキームについて説明しています。

極低温に冷却された銅製の箱の中で液化された水素は、ミクロンサイズの開口部を通って真空に圧入され、そこで蒸発冷却が始まり、固体のターゲットが形成されます。 レーザー加速陽子は、高強度レーザービームがこの極低温ターゲットに当たると生成され、放射圧によって水素から電子が押し出され、陽子の加速に必要な極度の電場が生成されます。

HZDRチームの研究は、メインパルスの前に弱い光パルスで極低温水素ジェットをプライミングすると、プライミングを行わなかった場合と比較して陽子エネルギーが80倍（最大XNUMXMeV）増加することを実証した。 パルスが弱いと、メインの高強度パルスがジェットに当たる前に水素フィラメントが膨張し、加速距離が増加します。

シミュレーションによれば、ターゲット密度プロファイルを含む実験条件が最適化されれば、100 MeV を超える陽子エネルギーが期待できることが示唆されています。

「私たちはシミュレーションから、陽子エネルギーをさらに増大させる方法を知っています。 ここでは、ターゲットの水素含有量により、実際に金属箔に関する相互作用をより正確にモデル化することができます」と Rehwald 氏は言います。 「単に静止した[電場]を設けるよりも高い粒子エネルギーをもたらす[加速スキーム]は簡単に想像できます。 しかし、そのような領域に到達するには、レーザービームと密度プロファイルを非常に正確に一致させる必要があります。 これらすべては、ターゲットをうまくコントロールすることによってのみ可能になります。」

グラフェンターゲットがレーザー駆動のイオン加速を向上

研究者らは、レーザーとターゲットの相互作用の結果として放出される高速電子やその他の粒子によって引き起こされるクライオスタットへの損傷を防ぐのに役立つデバイスをすでに開発し、実装しています。 この装置のおかげで今回の研究が可能になったと研究者らは言う。

将来的には、ヘリウムやアルゴンなどのガスを使用して他のイオン ビームが生成される可能性があります。

「私たちは、加速メカニズムをさらに理解して最適化し、加速プロセスの安定性を向上させるために、得られた知識を適用するための新しい一連の実験を準備しています」とレーワルド氏は言います。 「私たちは、レーザー駆動陽子加速器の潜在的な応用が私たちの研究から恩恵を受けると考えています。 たとえば、これは将来の放射線治療の新しい方法にとって興味深いものとなる可能性があります。」

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