Tia hydro đông lạnh cung cấp mục tiêu tái tạo cho các proton được gia tốc bằng laser – Vật lý Thế giới

Các nhà khoa học đã tạo ra xung laser petawatt đầu tiên vào những năm 1990. Trong những thập kỷ sau đó, tia laser tạo ra năng lượng ở mức petawatt đã được chế tạo – tương đương với một triệu triệu (10¹⁵) watt, hoặc một phần đáng kể năng lượng mà Trái đất nhận được từ Mặt trời trong một khoảng thời gian ngắn.

Một ứng dụng tiềm năng của công nghệ laser petawatt là máy gia tốc ion tiên tiến cho liệu pháp hạt. Nghiên cứu đang diễn ra tập trung vào vô số chủ đề trong lĩnh vực này, từ việc tăng năng lượng và hiệu suất của hạt đến cải thiện chất lượng và khả năng kiểm soát chùm tia.

Các mục tiêu có thể tái tạo cũng nằm trong tầm ngắm của các nhà khoa học.

Khả năng tăng tốc bằng tia laser hoạt động bằng cách bắn các xung laser cực mạnh vào các mục tiêu làm bằng lá kim loại mỏng. Nhiệt sinh ra sẽ đẩy các electron trong vật liệu ra, trong khi các hạt nhân nguyên tử nặng vẫn giữ nguyên vị trí, tạo ra một điện trường mạnh mà sau đó có thể phóng ra một xung proton.

Nhưng các mục tiêu lá kim loại thông thường đặt ra hai thách thức đối với các ứng dụng của các ion được gia tốc bằng laser. Đầu tiên, các xung laser cường độ cao sẽ làm hỏng mục tiêu, vì vậy chúng cần được thay thế thường xuyên – gây khó khăn cho việc tạo ra nhiều xung ion mỗi giây. Thứ hai, với mỗi lần bắn tia laser, các mảnh vụn được tạo ra và tích tụ trên hệ thống quang học của tia laser, làm giảm chất lượng của xung laser. Với các mục tiêu dạng lá, các ion sau đó được tăng tốc từ lớp bị ô nhiễm chứa hỗn hợp các hydrocacbon khác nhau, khiến việc tăng tốc hạt khó kiểm soát.

Máy bay phản lực hydro đông lạnh có thể cung cấp một giải pháp thay thế. Những mục tiêu này, đã được khám phá cho phản ứng tổng hợp giam cầm quán tính và các nghiên cứu nghiên cứu khác, có thể được sử dụng để tạo ra chùm proton mà không cần thay thế thường xuyên như lá kim loại. Hiệu suất của chúng với tư cách là nguồn proton cho đến nay vẫn bị giới hạn ở mức năng lượng và sản lượng hạt thấp (đối với các ứng dụng điều trị), nhưng các thiết kế hiện tại cung cấp một dòng hydro tinh khiết liên tục mà một thí nghiệm chứng minh khái niệm gần đây cho thấy có thể vượt quá hiệu suất. của lá kim loại.

Một nhóm các nhà khoa học quốc tế do các nhà nghiên cứu tại Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf dẫn đầu (HZDR) đang nghiên cứu plasma phản lực hydro đông lạnh có kích thước micron như một giải pháp thay thế cho các mục tiêu lá kim loại. Dây tóc plasma tự đổi mới nên tia laser petawatt có mục tiêu mới cho mỗi lần bắn.

Martin Rehwald, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại HZDR cho biết: “Ngay từ đầu, rõ ràng loại mục tiêu này có một số lợi thế độc đáo mà bạn không thể dễ dàng tìm thấy ở nơi khác”.

Các nhà khoa học HZDR lần đầu tiên báo cáo về các proton được gia tốc bằng laser từ các tia hydro đông lạnh vào năm 2017 (trong Báo cáo khoa học, Physical Review Letters và Applied Physics Letters). Nghiên cứu gần đây nhất của họ, được công bố trên Nature Communications, mô tả các sơ đồ tăng tốc khác nhau cho hệ thống mục tiêu đông lạnh bằng laser petawatt của họ.

Hydro, được hóa lỏng trong hộp đồng được làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh, được ép qua lỗ có kích thước micron vào chân không, nơi quá trình làm mát bay hơi tập trung vào để tạo thành mục tiêu rắn. Các proton được gia tốc bằng laser được tạo ra khi một chùm tia laser cường độ cao chạm vào mục tiêu đông lạnh này, với áp suất bức xạ đẩy các electron ra khỏi hydro và tạo ra điện trường cực lớn cần thiết để tăng tốc các proton.

Nghiên cứu của nhóm HZDR đã chứng minh rằng việc mồi tia hydro đông lạnh với xung ánh sáng yếu hơn trước xung chính mang lại năng lượng proton tăng gấp hai lần (lên tới 80 MeV) so với trường hợp không mồi. Xung yếu hơn cho phép dây tóc hydro giãn nở – và khoảng cách gia tốc tăng lên – trước khi xung cường độ cao chính chạm vào tia phản lực.

Các mô phỏng cho thấy có thể dự đoán được năng lượng proton vượt quá 100 MeV khi các điều kiện thí nghiệm, bao gồm cả đặc tính mật độ mục tiêu, được tối ưu hóa.

“Từ mô phỏng, chúng tôi biết cách tăng thêm năng lượng proton. Ở đây, hàm lượng hydro trong mục tiêu thực sự cho phép chúng tôi lập mô hình tương tác chính xác hơn đối với các lá kim loại”, Rehwald nói. “Bạn có thể dễ dàng tưởng tượng [sơ đồ gia tốc] dẫn đến năng lượng hạt cao hơn việc chỉ có một [điện trường] đứng yên. Nhưng để đạt được các chế độ như vậy, chúng ta cần phải kết hợp chùm tia laser và cấu hình mật độ thật chính xác. Tất cả những điều này chỉ có thể được thực hiện khi có khả năng kiểm soát tốt mục tiêu.”

Mục tiêu graphene tăng cường khả năng tăng tốc ion điều khiển bằng laser

Các nhà nghiên cứu đã phát triển và triển khai một thiết bị giúp ngăn ngừa hư hỏng bộ điều nhiệt gây ra bởi các electron nhanh và các hạt khác phát ra do tương tác laser-mục tiêu. Các nhà nghiên cứu cho biết thiết bị đó đã giúp nghiên cứu hiện tại trở nên khả thi.

Trong tương lai, các loại khí như helium và argon có thể được sử dụng để tạo ra các chùm ion khác.

Rehwald cho biết: “Chúng tôi đang chuẩn bị một loạt thử nghiệm mới mà chúng tôi muốn áp dụng kiến ​​thức thu được để hiểu sâu hơn và tối ưu hóa cơ chế tăng tốc cũng như cải thiện tính ổn định của quá trình tăng tốc của chúng tôi”. “Chúng tôi nghĩ rằng những ứng dụng tiềm năng của máy gia tốc proton điều khiển bằng laser sẽ được hưởng lợi từ nghiên cứu của chúng tôi. Ví dụ, điều này có thể được quan tâm đối với các phương pháp xạ trị mới trong tương lai.”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• ChartPrime. Nâng cao trò chơi giao dịch của bạn với ChartPrime. Truy cập Tại đây.
• BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/jet-of-frozen-hydrogen-provides-a-renewable-target-for-laser-accelerated-protons/