Jato de hidrogênio congelado fornece um alvo renovável para prótons acelerados por laser – Physics World

Os cientistas geraram o primeiro pulso de laser de petawatt na década de 1990. Nas décadas que se seguiram, foram construídos lasers que produzem potência no nível de petawatts – equivalente a um quatrilhão (10¹⁵) watts, ou uma fração significativa da energia que a Terra recebe do Sol em um curto período de tempo.

Uma aplicação potencial da tecnologia de laser petawatt são aceleradores iônicos avançados para terapia de partículas. A pesquisa em andamento tem sido dedicada a uma infinidade de tópicos nesta área, desde o aumento da energia e dos rendimentos das partículas até a melhoria da qualidade e controle do feixe.

Alvos renováveis ​​também estão no radar dos cientistas.

A aceleração acionada por laser funciona disparando pulsos de laser extremamente poderosos em alvos feitos de folha metálica fina. O calor gerado ejeta elétrons no material, enquanto os núcleos atômicos pesados ​​permanecem no lugar, criando um forte campo elétrico que pode então lançar um pulso de prótons.

Mas os alvos convencionais de folha metálica apresentam dois desafios para aplicações de íons acelerados por laser. Primeiro, os pulsos de laser intensos danificam os alvos, por isso precisam de substituição frequente – dificultando a geração de vários pulsos de íons por segundo. Em segundo lugar, com cada disparo do laser, detritos são gerados e se acumulam na óptica do laser, reduzindo a qualidade do pulso do laser. Com alvos metálicos, os íons são então acelerados a partir de uma camada contaminada contendo uma mistura de diferentes hidrocarbonetos, dificultando o controle da aceleração das partículas.

Os jatos de hidrogênio criogênico podem fornecer uma alternativa. Esses alvos, que foram explorados para fusão por confinamento inercial e outros estudos de pesquisa, podem ser usados ​​para gerar feixes de prótons sem serem substituídos com tanta frequência quanto folhas metálicas. Seu desempenho como fontes de prótons até o momento tem sido limitado a baixas energias e rendimentos de partículas (no que diz respeito a aplicações terapêuticas), mas os projetos atuais oferecem um jato contínuo de hidrogênio puro que, sugere um experimento recente de prova de conceito, pode exceder o desempenho de folhas metálicas.

Um grupo internacional de cientistas liderado por pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) está investigando plasma criogênico a jato de hidrogênio de tamanho micrométrico como uma alternativa aos alvos de folha metálica. O filamento de plasma se renova, então o laser de petawatt tem um novo alvo para cada disparo.

“Desde o início, ficou claro que este tipo de alvo tinha algumas vantagens únicas que não seriam facilmente encontradas em outro lugar”, diz Martin Rehwald, pesquisador de pós-doutorado no HZDR.

Cientistas do HZDR relataram pela primeira vez prótons acelerados por laser a partir de jatos de hidrogênio criogênicos em 2017 (em Relatórios Científicos, Physical Review Letters e Applied Physics Letters). Seu estudo mais recente, publicado em Natureza das Comunicações, descreve diferentes esquemas de aceleração para seu sistema de alvo criogênico a laser de petawatt.

O hidrogênio, liquefeito em uma caixa de cobre resfriada criogenicamente, é pressionado através de uma abertura de tamanho micrométrico em um vácuo, onde o resfriamento evaporativo se instala para formar um alvo sólido. Os prótons acelerados por laser são produzidos quando um feixe de laser de alta intensidade atinge esse alvo criogênico, com pressões de radiação empurrando os elétrons para fora do hidrogênio e criando os campos elétricos extremos necessários para acelerar os prótons.

A pesquisa da equipe HZDR demonstrou que preparar o jato de hidrogênio criogênico com um pulso de luz mais fraco antes do pulso principal produz um aumento de duas vezes na energia do próton (até 80 MeV) em comparação com o caso não preparado. O pulso mais fraco permite que o filamento de hidrogênio se expanda – e a distância de aceleração aumente – antes que o pulso principal de alta intensidade atinja o jato.

Simulações sugerem que podem ser esperadas energias de prótons superiores a 100 MeV quando as condições experimentais, incluindo o perfil de densidade alvo, são otimizadas.

“Sabemos por simulação como aumentar ainda mais as energias dos prótons. Aqui, o conteúdo de hidrogênio do alvo nos permite modelar a interação com mais precisão em relação às folhas metálicas”, diz Rehwald. “Você pode facilmente imaginar [esquemas de aceleração que] levam a energias de partículas mais altas do que apenas ter um campo [elétrico] estacionário. Mas, para alcançar tais regimes, precisamos combinar o nosso feixe de laser e o perfil de densidade com muita precisão. Tudo isso só pode ser feito com grande controle do alvo.”

Alvo de grafeno aumenta aceleração de íons acionada por laser

Os pesquisadores já desenvolveram e implementaram um dispositivo para ajudar a prevenir danos ao criostato causados ​​por elétrons rápidos e outras partículas emitidas como resultado de interações laser-alvo. Esse dispositivo tornou possível o estudo atual, dizem os pesquisadores.

No futuro, gases como o hélio e o argônio poderão ser usados ​​para produzir outros feixes de íons.

“Estamos preparando um novo conjunto de experimentos onde queremos aplicar o conhecimento adquirido para, por exemplo, compreender e otimizar melhor o mecanismo de aceleração, bem como melhorar a estabilidade do nosso processo de aceleração”, diz Rehwald. “Acreditamos que as aplicações potenciais de aceleradores de prótons movidos a laser se beneficiarão com nossa pesquisa. Por exemplo, isto poderia ser de interesse para novos métodos de radioterapia no futuro.”

• Conteúdo com tecnologia de SEO e distribuição de relações públicas. Seja amplificado hoje.
• PlatoData.Network Gerativa Vertical Ai. Capacite-se. Acesse aqui.
• PlatoAiStream. Inteligência Web3. Conhecimento Amplificado. Acesse aqui.
• PlatãoESG. Automotivo / EVs, Carbono Tecnologia Limpa, Energia, Ambiente, Solar, Gestão de resíduos. Acesse aqui.
• PlatoHealth. Inteligência em Biotecnologia e Ensaios Clínicos. Acesse aqui.
• ChartPrime. Eleve seu jogo de negociação com ChartPrime. Acesse aqui.
• BlockOffsets. Modernizando a Propriedade de Compensação Ambiental. Acesse aqui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/jet-of-frozen-hydrogen-provides-a-renewable-target-for-laser-accelerated-protons/