Dondurulmuş hidrojen jeti, lazerle hızlandırılmış protonlar için yenilenebilir bir hedef sağlıyor - Fizik Dünyası

Bilim adamları 1990'larda ilk petawatt lazer darbesini ürettiler. Takip eden yıllarda petawatt düzeyinde güç üreten lazerler üretildi; bu da bir katrilyona (10¹⁵) watt veya Dünya'nın kısa sürede Güneş'ten aldığı enerjinin önemli bir kısmı.

Petawatt lazer teknolojisinin potansiyel bir uygulaması, parçacık terapisine yönelik gelişmiş iyon hızlandırıcılardır. Devam eden araştırmalar, parçacık enerjilerinin ve verimlerinin artırılmasından ışın kalitesinin ve kontrolünün iyileştirilmesine kadar bu alandaki sayısız konuya adanmıştır.

Yenilenebilir hedefler de bilim adamlarının radarında.

Lazer güdümlü hızlanma, ince metalik folyodan yapılmış hedeflere son derece güçlü lazer darbeleri ateşleyerek çalışır. Üretilen ısı, malzemedeki elektronları fırlatırken, ağır atom çekirdekleri yerinde kalıyor ve daha sonra bir proton darbesi başlatabilen güçlü bir elektrik alanı yaratıyor.

Ancak geleneksel metalik folyo hedefler, lazerle hızlandırılmış iyonların uygulamaları için iki zorluk teşkil etmektedir. Birincisi, yoğun lazer darbeleri hedeflere zarar verir, dolayısıyla sık sık değiştirilmeleri gerekir; bu da saniyede birden fazla iyon darbesi üretilmesini zorlaştırır. İkincisi, lazerin her atışında, lazer optikleri üzerinde birikintiler oluşur ve birikir, bu da lazer darbesinin kalitesini azaltır. Folyo hedeflerle, farklı hidrokarbonların bir karışımını içeren kirlenmiş bir katmandan iyonlar hızlandırılır, bu da parçacık hızlanmasının kontrol edilmesini zorlaştırır.

Kriyojenik hidrojen jetleri bir alternatif sağlayabilir. Atalet sınırlamalı füzyon ve diğer araştırma çalışmaları için araştırılan bu hedefler, metalik folyolar kadar sık ​​değiştirilmeden proton ışınları üretmek için kullanılabilir. Bugüne kadar proton kaynağı olarak performansları düşük (terapötik uygulamalar açısından) parçacık enerjileri ve verimleriyle sınırlıydı, ancak mevcut tasarımlar, yakın zamanda yapılan bir kavram kanıtı deneyinin önerdiği gibi performansı aşabilecek sürekli bir saf hidrojen jeti sunuyor. metal folyolardan.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf'taki araştırmacıların liderliğindeki uluslararası bir bilim insanı grubu (HZDR) metalik folyo hedeflere alternatif olarak mikron boyutunda kriyojenik hidrojen jet plazmasını araştırıyor. Plazma filamenti kendini yeniler, böylece petawatt lazerin her atışta yeni bir hedefi olur.

HZDR'de doktora sonrası araştırmacı Martin Rehwald, "Başından beri, bu tür bir hedefin başka yerde kolayca bulamayacağınız bazı benzersiz avantajlara sahip olduğu açıktı" diyor.

HZDR bilim insanları ilk olarak 2017 yılında kriyojenik hidrojen jetlerinden lazerle hızlandırılan protonları bildirdiler. Bilimsel Raporlar, Physical Review Letters ve Uygulamalı Fizik Mektupları). En son çalışmaları şu adreste yayınlandı: Doğa İletişim, petawatt lazer-kriyojenik hedef sistemleri için farklı hızlandırma şemalarını açıklamaktadır.

Kriyojenik olarak soğutulmuş bir bakır kutuda sıvılaştırılan hidrojen, mikron boyutunda bir açıklıktan vakuma doğru bastırılır ve burada buharlaşmalı soğutma katı bir hedef oluşturmak üzere devreye girer. Lazerle hızlandırılmış protonlar, yüksek yoğunluklu bir lazer ışını bu kriyojenik hedefe çarptığında üretilir; radyasyon basınçları elektronları hidrojenden dışarı iter ve protonları hızlandırmak için gereken aşırı elektrik alanlarını yaratır.

HZDR ekibinin araştırması, kriyojenik hidrojen jetinin ana darbeden önce daha zayıf bir ışık darbesiyle başlatılmasının, kullanıma hazır olmayan durumla karşılaştırıldığında proton enerjisinde iki kat artış (80 MeV'ye kadar) sağladığını gösterdi. Daha zayıf darbe, ana yüksek yoğunluklu darbe jete çarpmadan önce hidrojen filamanının genişlemesine ve hızlanma mesafesinin artmasına olanak tanır.

Simülasyonlar, hedef yoğunluk profili de dahil olmak üzere deneysel koşullar optimize edildiğinde 100 MeV'yi aşan proton enerjilerinin beklenebileceğini göstermektedir.

"Simülasyondan proton enerjilerini nasıl daha da artıracağımızı biliyoruz. Burada hedefin hidrojen içeriği aslında etkileşimi metalik folyolara göre daha kesin bir şekilde modellememize olanak tanıyor" diyor Rehwald. “Sabit bir [elektrik] alana sahip olmaktan daha yüksek parçacık enerjilerine yol açan [ivme şemalarını] kolaylıkla hayal edebilirsiniz. Ancak bu tür rejimlere ulaşmak için lazer ışınımızı ve yoğunluk profilimizi çok hassas bir şekilde eşleştirmemiz gerekiyor. Bütün bunlar ancak hedefin çok iyi kontrol edilmesiyle yapılabilir.”

Grafen hedefi lazerle yönlendirilen iyon ivmesini artırır

Araştırmacılar, lazer-hedef etkileşimlerinin bir sonucu olarak yayılan hızlı elektronların ve diğer parçacıkların kriyostatta neden olduğu hasarı önlemeye yardımcı olacak bir cihazı zaten geliştirdi ve uyguladı. Araştırmacılar, bu cihazın mevcut çalışmayı mümkün kıldığını söylüyor.

Gelecekte helyum ve argon gibi gazlar diğer iyon ışınlarını üretmek için kullanılabilir.

Rehwald, "Kazanılan bilgileri örneğin hızlanma mekanizmasını daha iyi anlamak ve optimize etmek ve aynı zamanda hızlanma sürecimizin stabilitesini artırmak için uygulamak istediğimiz yeni bir dizi deney hazırlıyoruz" diyor. "Lazerle çalışan proton hızlandırıcıların potansiyel uygulamalarının araştırmamızdan fayda sağlayacağını düşünüyoruz. Örneğin bu, gelecekte yeni radyasyon terapisi yöntemlerinin ilgisini çekebilir.”

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. Otomotiv / EV'ler, karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• ChartPrime. Ticaret Oyununuzu ChartPrime ile yükseltin. Buradan Erişin.
• Blok Ofsetleri. Çevre Dengeleme Sahipliğini Modernleştirme. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/jet-of-frozen-hydrogen-provides-a-renewable-target-for-laser-accelerated-protons/