Strumień zamarzniętego wodoru stanowi odnawialny cel dla protonów przyspieszanych laserowo – Świat Fizyki

Naukowcy wygenerowali pierwszy petawatowy impuls laserowy w latach 1990. XX wieku. W następnych dziesięcioleciach zbudowano lasery wytwarzające moc na poziomie petawatów – co odpowiada jednemu biliardowi (10¹⁵) watów, czyli znaczną część energii, jaką Ziemia otrzymuje od Słońca w krótkim czasie.

Jednym z potencjalnych zastosowań technologii lasera petawatowego są zaawansowane akceleratory jonów do terapii cząsteczkowej. Trwające badania poświęcono niezliczonym tematom w tej dziedzinie, od zwiększania energii cząstek i wydajności po poprawę jakości i kontroli wiązki.

Cele odnawialne również znajdują się na radarze naukowców.

Przyspieszenie napędzane laserem polega na wystrzeliwaniu niezwykle silnych impulsów laserowych w cele wykonane z cienkiej metalicznej folii. Wytworzone ciepło wyrzuca elektrony z materiału, podczas gdy ciężkie jądra atomowe pozostają na miejscu, tworząc silne pole elektryczne, które może następnie wyzwolić impuls protonów.

Jednak konwencjonalne cele z folii metalicznej stwarzają dwa wyzwania w zastosowaniach jonów przyspieszanych laserowo. Po pierwsze, intensywne impulsy laserowe uszkadzają cele, dlatego należy je często wymieniać, co utrudnia generowanie kilku impulsów jonów na sekundę. Po drugie, przy każdym strzale lasera powstają zanieczyszczenia, które gromadzą się na optyce lasera, pogarszając jakość impulsu laserowego. W przypadku celów foliowych jony są następnie przyspieszane z zanieczyszczonej warstwy zawierającej mieszaninę różnych węglowodorów, co utrudnia kontrolowanie przyspieszania cząstek.

Alternatywą mogą być kriogeniczne strumienie wodoru. Cele te, które badano pod kątem inercyjnej syntezy jądrowej i innych badań naukowych, można wykorzystać do generowania wiązek protonów bez konieczności ich wymiany tak często, jak w przypadku folii metalowych. Ich dotychczasowe działanie jako źródeł protonów ograniczało się do niskich (w odniesieniu do zastosowań terapeutycznych) energii cząstek i wydajności, ale obecne projekty zapewniają ciągły strumień czystego wodoru, który – jak sugeruje niedawny eksperyment weryfikujący koncepcję – może przekraczać wydajność z folii metalowych.

Międzynarodowa grupa naukowców kierowana przez badaczy z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) bada mikronową kriogeniczną plazmę strumieniową wodorową jako alternatywę dla celów z folii metalowej. Włókno plazmowe odnawia się samoistnie, więc petawatowy laser ma nowy cel przy każdym strzale.

„Od początku było jasne, że tego typu cel ma pewne wyjątkowe zalety, których nie można łatwo znaleźć gdzie indziej” – mówi Martin Rehwald, pracownik naukowy ze stopniem doktora w HZDR.

Naukowcy z projektu HZDR po raz pierwszy donieśli o protonach przyspieszanych laserem z kriogenicznych strumieni wodoru w 2017 r. (w Doniesienia naukowe, Physical Review Letters i Stosowane litery fizyki). Ich najnowsze badanie, opublikowane w Nature Communications, opisuje różne schematy przyspieszania dla ich petawatowego laserowo-kriogenicznego systemu docelowego.

Wodór skroplony w chłodzonej kriogenicznie miedzianej obudowie jest wtłaczany przez mikronową szczelinę do próżni, gdzie następuje chłodzenie wyparne, w wyniku czego tworzy się stały obiekt. Protony przyspieszane laserowo powstają, gdy wiązka lasera o dużej intensywności uderza w ten kriogeniczny cel, a ciśnienie promieniowania wypycha elektrony z wodoru i wytwarza ekstremalne pola elektryczne potrzebne do przyspieszania protonów.

Badania zespołu HZDR wykazały, że zalewanie kriogenicznego strumienia wodoru słabszym impulsem świetlnym przed impulsem głównym powoduje dwukrotny wzrost energii protonów (do 80 MeV) w porównaniu z obudową bez gruntowania. Słabszy impuls pozwala na rozszerzenie włókna wodorowego i zwiększenie odległości przyspieszania, zanim główny impuls o dużej intensywności uderzy w strumień.

Symulacje sugerują, że można spodziewać się energii protonów przekraczającej 100 MeV, gdy zoptymalizowane zostaną warunki eksperymentalne, w tym profil gęstości docelowej.

„Z symulacji wiemy, jak jeszcze bardziej zwiększyć energie protonów. W tym przypadku zawartość wodoru w tarczy faktycznie pozwala nam na dokładniejsze modelowanie interakcji w odniesieniu do folii metalicznych” – mówi Rehwald. „Można łatwo wyobrazić sobie [schematy przyspieszania, które] prowadzą do wyższych energii cząstek niż samo stacjonarne pole [elektryczne]. Aby jednak osiągnąć takie reżimy, musimy bardzo precyzyjnie dopasować naszą wiązkę lasera i profil gęstości. Wszystko to można osiągnąć jedynie przy doskonałej kontroli celu.

Cel grafenowy zwiększa przyspieszanie jonów napędzane laserem

Naukowcy opracowali już i wdrożyli urządzenie pomagające zapobiegać uszkodzeniom kriostatu spowodowanym przez szybkie elektrony i inne cząstki emitowane w wyniku interakcji lasera z celem. Naukowcy twierdzą, że to urządzenie umożliwiło przeprowadzenie obecnych badań.

W przyszłości gazy takie jak hel i argon będą mogły być wykorzystywane do wytwarzania innych wiązek jonów.

„Przygotowujemy nowy zestaw eksperymentów, w których chcemy zastosować zdobytą wiedzę, na przykład do lepszego zrozumienia i optymalizacji mechanizmu przyspieszania, a także poprawy stabilności naszego procesu przyspieszania” – mówi Rehwald. „Uważamy, że nasze badania przyniosą korzyści potencjalnym zastosowaniom napędzanych laserowo akceleratorów protonów. Może to na przykład okazać się interesujące w przyszłości w kontekście nowych metod radioterapii”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• ChartPrime. Podnieś poziom swojej gry handlowej dzięki ChartPrime. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/jet-of-frozen-hydrogen-provides-a-renewable-target-for-laser-accelerated-protons/