Инновационный дизайн цели приводит к удивительному открытию в ускоряющейся лазерной плазме

Ученые разработали метод для создания быстрых и блестящих протонных лучей с использованием высококачественного лазерного плазменного ускорителя. Эта работа, опубликовано В Природная связьРешает несколько долгосрочных проблем и открывает эту технологию на пороге реальных приложений — все это благодаря потоку воды.

«Эти захватывающие результаты открываются в новые релятивистские приложения для лазеров с высокой силой для медицинских приложений, исследования ускорителей и инерционное слияние», -сказал Зигфрид Глензер, профессор науки о фотонах и директор Отдела наук о плотности энергии в отделе департамента. Национальная лаборатория энергетики SLAC.

Необходимость в новых типах протонных балок

Протонные пакеты представляют собой высокую скорость нагруженных частиц, известные своей способностью повредить или изменять материалы, с которыми они взаимодействуют. Они откладывают свою энергию в конкретных местах, обеспечивая точность, которая невозможно с другими источниками, такими как x -Rays. Но генерировать эти сверхбыстрые и энергетические балки сложно.

Ускорители обычных частиц, такие как синхротроны, рассчитывают на ряд электромагнов для ускорения, направления и концентрации лучей частиц. Хотя эти ускорители возглавляли бесчисленные открытия в фундаментальных науках, их размер ограничивает их способность быть развернутыми в промышленном и клиническом применении.

Например, некоторые передовые медицинские центры используют протонные лучи для нацеливания на раковую ткань, повреждая опухоли при сохранении здоровых клеток. Разработка более мелких и более доступных источников протонного луча может расширить диапазон медицинских методов лечения, предлагаемых этими центрами, и открыть совершенно новые области для этой технологии.

Обещание ускорения лазерной плазмы

Введите лазерно-плазменные акселераторы (LPA). LPA используют лазеры высокой интенсивности для достижения цели, генерируя заряженные балки частиц, которые достигают скорости, сопоставимых с тем, которые производятся с использованием традиционных ускорителей, но до части расстояния. Ученые исследуют LPA как компактное и прибыльное средство создания протонных пучков, но несколько технических проблем препятствовали их прогрессу.

Задача проистекает из лазера высокой интенсивности, который разрушает цели после каждого импульса, требуя новой цели для каждого выстрела. Другая проблема заключается в дивергенции луча — протонные лучи, полученные LPA, обычно распространяются как проектор, а не поддержание узкой концентрации. Необходимость в замене цели и дивергенции луча значительно снижает эффективность систем LPA.

Просто добавьте воду

В этом недавнем исследовании исследователи совершили неожиданный прорыв, одновременно решая несколько проблем, хотя они только стремились приблизиться к одному.

Работая на центральной лазерной установке лаборатории STFC Rutherford Appleton, команда проверила новую цель, разработанную исследователями SLAC, чтобы бороться с неэффективностью замены целей после каждого лазерного импульса. Вместо того, чтобы использовать традиционную твердую цель, они ввели тонкий лист воды — саморегиональный поток, который можно восстановить после каждой фотографии. Когда лазер попал в воду, он генерировал пачку протонов, как и ожидалось.

Но потом произошло что -то удивительное. Испаренная вода сформировала облако пара вокруг цели, которое взаимодействовало с пучком протонов для создания магнитных полей. Эти поля естественным образом сосредоточили луч, что привело к пакету более блестящих и более тесно выровненных протонов.

По сравнению с аналогичными экспериментами с твердыми мишенями, водяной лист снизил дивергенцию протонного луча на порядок и повысил эффективность пакета коэффициента 100. Протонный пакет представлял устойчивую стабильность, систематически работающую в пять импульсов в секунду. на сотнях лазерных чапков.

«Этот эффект был совершенно неожиданным», — сказал Гриффин Гленн, доктор философии Стэнфорда. Студент участвует в разработке цели водяного листа и реализации анализа данных и второго автора в документе. Множество переменных в этом опыте — включая подробные свойства лазера, лист воды и среды пустоты, — делают такие прогнозы невозможными.

Однако, наблюдая за явлением, команда использовала экспериментальные данные для моделирования и получения более глубокого понимания основных сил, стимулирующих эффект. Результаты команды предполагают, что этот подход может быть масштабирован до более высоких энергетических систем, что позволяет еще более блестящим и более энергичным протонным пучкам.

«Эта работа перенесла всю парадигму», — сказал Гленцер. «Наконец, мы больше не полностью зависят от моделирования. Теперь мы можем вести физику с экспериментальной точки зрения, проверяя различные интенсивности лазера, плотность целевых и давление в окружающей среде. Весь физический режим находится перед нами».

В частности, пакет Proton систематически доставлял эквивалент 40 серого с каждым выстрелом, стандартной дозы радиации, используемой в протонной терапии, когда -либо проводимой раньше, с LPA, работающим с этой скоростью повторения. Кроме того, результаты были получены с использованием низкоэнергетической лазерной системы, легко доступной, что отмечает значительный прогресс на подготовку APL для практического применения в медицине и промышленности.