Jetul de hidrogen înghețat oferă o țintă regenerabilă pentru protonii accelerați cu laser – Physics World

Oamenii de știință au generat primul impuls laser petawatt în anii 1990. În deceniile care au urmat, au fost construite lasere care produc putere la nivel de petawatt – echivalentul unui cvadrilion (10¹⁵) wați, sau o parte semnificativă a energiei pe care Pământul o primește de la Soare într-o perioadă scurtă de timp.

O aplicație potențială a tehnologiei laser petawatt este acceleratorii de ioni avansati pentru terapia cu particule. Cercetările în curs de desfășurare au fost dedicate nenumăratelor subiecte în acest domeniu, de la creșterea energiilor și randamentelor particulelor până la îmbunătățirea calității și controlului fasciculului.

Țintele din surse regenerabile sunt, de asemenea, pe radarul oamenilor de știință.

Accelerația cu laser funcționează prin tragerea de impulsuri laser extrem de puternice către ținte din folie metalică subțire. Căldura generată ejectează electroni în material, în timp ce nucleele atomice grele rămân pe loc, creând un câmp electric puternic care poate apoi lansa un puls de protoni.

Dar țintele convenționale din folie metalică prezintă două provocări pentru aplicațiile ionilor accelerați cu laser. În primul rând, impulsurile laser intense daunează țintelor, astfel încât acestea au nevoie de înlocuire frecventă – ceea ce face dificilă generarea mai multor impulsuri de ioni pe secundă. În al doilea rând, cu fiecare fotografie a laserului, reziduurile sunt generate și se acumulează pe optica laser, reducând calitatea pulsului laser. Cu ținte de folie, ionii sunt apoi accelerați dintr-un strat contaminat care conține un amestec de hidrocarburi diferite, ceea ce face ca accelerația particulelor să fie dificil de controlat.

Jeturile de hidrogen criogenic pot oferi o alternativă. Aceste ținte, care au fost explorate pentru fuziunea inerțială și alte studii de cercetare, pot fi folosite pentru a genera fascicule de protoni fără a fi înlocuite la fel de frecvent ca foliile metalice. Performanța lor ca surse de protoni până în prezent a fost limitată la energii și randamente scăzute (în ceea ce privește aplicațiile terapeutice) de particule, dar proiectele actuale oferă un jet continuu de hidrogen pur care, sugerează un experiment recent de dovadă a conceptului, ar putea depăși performanța. a foliilor metalice.

Un grup internațional de oameni de știință condus de cercetători de la Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) investighează plasmă cu jet de hidrogen criogen de mărime micron ca alternativă la țintele din folie metalică. Filamentul de plasmă se reînnoiește, astfel încât laserul petawatt are o nouă țintă pentru fiecare fotografie.

„De la început, a fost clar că acest tip de țintă a avut câteva avantaje unice pe care nu le puteai găsi cu ușurință în altă parte”, spune Martin Rehwald, cercetător postdoctoral la HZDR.

Oamenii de știință HZDR au raportat pentru prima dată despre protonii accelerați cu laser din jeturile de hidrogen criogenic în 2017 (în Rapoarte științifice, Scrisori de recenzie fizică și Scrisori de fizică aplicată). Cel mai recent studiu al lor, publicat în Natura Comunicaţii, descrie diferite scheme de accelerare pentru sistemul lor țintă criogenică cu laser petawatt.

Hidrogenul, lichefiat într-o cutie de cupru răcită criogenic, este presat printr-o deschidere de dimensiunea micronului într-un vid, unde răcirea evaporativă se instalează pentru a forma o țintă solidă. Protonii accelerați cu laser sunt produși atunci când un fascicul laser de mare intensitate lovește această țintă criogenică, presiunile de radiație împingând electronii din hidrogen și creând câmpurile electrice extreme necesare pentru a accelera protonii.

Cercetarea echipei HZDR a demonstrat că amorsarea jetului de hidrogen criogenic cu un puls de lumină mai slab înainte de pulsul principal produce o creștere de două ori a energiei protonilor (până la 80 MeV) în comparație cu carcasa neamorsată. Pulsul mai slab permite filamentului de hidrogen să se extindă – iar distanța de accelerație să crească – înainte ca pulsul principal de mare intensitate să lovească jetul.

Simulările sugerează că energiile protonilor care depășesc 100 MeV pot fi așteptate atunci când condițiile experimentale, inclusiv profilul de densitate țintă, sunt optimizate.

„Știm din simulare cum să creștem în continuare energiile protonilor. Aici, conținutul de hidrogen al țintei ne permite de fapt să modelăm interacțiunea mai precis în ceea ce privește foliile metalice”, spune Rehwald. „Puteți să vă imaginați cu ușurință [scheme de accelerație care] conduc la energii mai mari ale particulelor decât doar a avea un câmp [electric] staționar. Dar pentru a ajunge la astfel de regimuri, trebuie să ne potrivim foarte precis raza laser și profilul de densitate. Toate acestea pot fi făcute doar cu un control mare asupra țintei.”

Ținta grafenului crește accelerația ionică condusă de laser

Cercetătorii au dezvoltat și implementat deja un dispozitiv pentru a preveni deteriorarea criostatului cauzată de electronii rapidi și alte particule emise ca urmare a interacțiunilor laser-țintă. Acest dispozitiv a făcut posibil studiul actual, spun cercetătorii.

În viitor, gazele precum heliul și argonul ar putea fi folosite pentru a produce alte fascicule de ioni.

„Pregătim un nou set de experimente în care dorim să aplicăm cunoștințele dobândite, de exemplu, pentru a înțelege și a optimiza în continuare mecanismul de accelerare, precum și pentru a îmbunătăți stabilitatea procesului nostru de accelerare”, spune Rehwald. „Credem că potențialele aplicații ale acceleratoarelor de protoni cu laser vor beneficia de pe urma cercetărilor noastre. De exemplu, acest lucru ar putea fi de interes pentru noi metode de radioterapie în viitor.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• ChartPrime. Crește-ți jocul de tranzacționare cu ChartPrime. Accesați Aici.
• BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/jet-of-frozen-hydrogen-provides-a-renewable-target-for-laser-accelerated-protons/