Струмінь замороженого водню є поновлюваною мішенню для лазерно-прискорених протонів – Physics World

У 1990-х роках вчені згенерували перший петаватний лазерний імпульс. У наступні десятиліття були створені лазери, які виробляють потужність на рівні петават, що еквівалентно одному квадрильйону (10¹⁵) ват, або значну частку енергії, яку Земля отримує від Сонця за короткий проміжок часу.

Одним із потенційних застосувань петаватної лазерної технології є передові прискорювачі іонів для терапії частинками. Поточні дослідження присвячені безлічі тем у цій галузі, від підвищення енергії частинок і виходу до покращення якості пучка та контролю.

Відновлювані цілі також знаходяться на радарах вчених.

Лазерне прискорення працює шляхом випромінювання надзвичайно потужних лазерних імпульсів на мішені з тонкої металевої фольги. Тепло, що виділяється, викидає електрони в матеріал, тоді як важкі атомні ядра залишаються на місці, створюючи сильне електричне поле, яке потім може запускати імпульс протонів.

Але звичайні мішені з металевої фольги представляють дві проблеми для застосування лазерно-прискорених іонів. По-перше, інтенсивні лазерні імпульси пошкоджують мішені, тому їх потрібно часто замінювати, що ускладнює генерацію кількох іонних імпульсів на секунду. По-друге, з кожним пострілом лазера утворюється сміття, яке накопичується на лазерній оптиці, знижуючи якість лазерного імпульсу. За допомогою фольгованих мішеней іони прискорюються із забрудненого шару, що містить суміш різних вуглеводнів, що ускладнює контроль прискорення частинок.

Альтернативою можуть бути кріогенні водневі струмені. Ці мішені, які досліджувалися для термоядерного синтезу з інерційним утриманням та інших дослідницьких досліджень, можна використовувати для генерації протонних пучків без такої ж частої заміни, як металева фольга. Їх ефективність як джерела протонів на сьогоднішній день була обмежена низькими (стосовно терапевтичного застосування) енергіями та виходами частинок, але поточні конструкції пропонують безперервний струмінь чистого водню, який, згідно з нещодавнім експериментом з підтвердження концепції, може перевищувати продуктивність з металевої фольги.

Міжнародна група вчених під керівництвом дослідників Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) досліджує кріогенну водневу струменеву плазму мікронного розміру як альтернативу мішеням із металевої фольги. Плазмова нитка оновлюється, тому петаватний лазер має нову ціль для кожного пострілу.

«З самого початку було зрозуміло, що цей тип мішені має деякі унікальні переваги, які ви не можете легко знайти в іншому місці», — говорить Мартін Ревальд, докторант HZDR.

Вчені HZDR вперше повідомили про лазерно-прискорені протони з криогенних струменів водню в 2017 році (у Наукові доповіді, Physical Review Letters, та Прикладні фізичні букви). Їх останнє дослідження, опубліковане в Природа зв'язку, описує різні схеми прискорення для їх петаватної лазерно-кріогенної цільової системи.

Водень, зріджений у криогенно охолоджуваній мідній коробці, продавлюється через отвір мікронного розміру у вакуум, де відбувається охолодження через випаровування, утворюючи тверду мішень. Лазерно прискорені протони утворюються, коли лазерний промінь високої інтенсивності потрапляє на цю кріогенну мішень, при цьому тиск випромінювання виштовхує електрони з водню та створює екстремальні електричні поля, необхідні для прискорення протонів.

Дослідження команди HZDR продемонструвало, що ініціювання кріогенного струменя водню слабшим світловим імпульсом перед основним імпульсом дає подвійне збільшення енергії протонів (до 80 МеВ) порівняно з випадком без ініціювання. Слабший імпульс дозволяє водневій нитці розширюватися – і відстань прискорення збільшуватися – до того, як основний високоінтенсивний імпульс потрапить у струмінь.

Симуляції показують, що можна очікувати енергії протонів, що перевищує 100 МеВ, коли експериментальні умови, включаючи профіль щільності мішені, оптимізовані.

«З моделювання ми знаємо, як ще більше збільшити енергію протонів. Тут вміст водню в мішені фактично дозволяє нам точніше моделювати взаємодію з металевою фольгою», — каже Ревальд. «Ви можете легко уявити [схеми прискорення, які] призводять до вищих енергій частинок, ніж просто наявність стаціонарного [електричного] поля. Але щоб досягти таких режимів, нам потрібно дуже точно узгодити наш лазерний промінь і профіль щільності. Усе це можна зробити лише за умови чудового контролю над ціллю».

Графенова мішень посилює лазерне прискорення іонів

Дослідники вже розробили та впровадили пристрій, який допомагає запобігти пошкодженню кріостата, спричиненому швидкими електронами та іншими частинками, випущеними в результаті взаємодії лазера з ціллю. За словами дослідників, цей пристрій зробив можливим поточне дослідження.

У майбутньому такі гази, як гелій і аргон, можна буде використовувати для отримання інших іонних пучків.

«Ми готуємо новий набір експериментів, у яких ми хочемо застосувати отримані знання, наприклад, щоб глибше зрозуміти й оптимізувати механізм прискорення, а також підвищити стабільність нашого процесу прискорення», — говорить Ревальд. «Ми вважаємо, що потенційне застосування лазерних прискорювачів протонів виграє від наших досліджень. Наприклад, це може зацікавити нові методи променевої терапії в майбутньому».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• ChartPrime. Розвивайте свою торгову гру за допомогою ChartPrime. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/jet-of-frozen-hydrogen-provides-a-renewable-target-for-laser-accelerated-protons/