Инновационный целевой дизайн приводит к удивительному открытию в лазерном ускорении

Ученые разработали метод генерации быстрых ярких протонных лучей с использованием лазерного плазменного акселератора высокого уровня. Эта работа, опубликовано в Природная связьРешает несколько давних задач и приводит эту технологию до порога реальных приложений-все благодаря потоку воды.

«Эти захватывающие результаты прокладывают путь к новым применениям релятивистских мощных лазеров для применений в области медицины, исследований ускорителя и инерционного слияния»,-сказал Зигфрид Глензер, профессор Photon Science и директор Отдела науки о плотности высокой энергии в отделе отделения на отделении. Национальной лаборатории SLAC SLAC.

Необходимость в новых типах протонных балок

Протонные лучи представляют собой высокоскоростные потоки заряженных частиц, известных своей способностью повредить или изменять материалы, с которыми они взаимодействуют. Они откладывают свою энергию в определенных местах, обеспечивая точность, которая невозможна с другими источниками, такими как рентгеновские снимки. Эта характеристика делает их ценными для различных применений от лечения опухолей до травления крошечных особенностей на микрочипах и полупроводниках. Но генерировать эти сверхбыстрые, энергетические лучи сложны.

Обычные акселераторы частиц, такие как синхротроны, полагаются на серию электромагнитов для ускорения, руля и фокусировки лучей частиц. Хотя эти ускорители привели к бесчисленным открытиям в фундаментальной науке, их размер ограничивает их способность быть развернутыми в промышленном и клиническом применении.

Например, некоторые передовые медицинские центры используют протонные лучи для нацеливания на раковые ткани, повреждая опухоли при сохранении здоровых клеток. Разработка меньших, более доступных источников протонной луча может расширить диапазон медицинских методов лечения, предлагаемых такими центрами и открытыми совершенно новыми областями для этой технологии.

Обещание ускорения лазерной плазмы

Введите лазерно-плазменные акселераторы (LPA). LPA используют высокоинтенсивные лазеры для удара по мишени, генерируя заряженные балки частиц, которые достигают сопоставимых скоростей, полученных с использованием традиционных ускорителей, но на долю расстояния. Ученые исследуют LPA как компактный, экономически эффективный способ генерации протонных лучей, но несколько технических задач препятствовали их прогрессу.

Одна проблема возникает из-за высокоинтенсивного лазера, который разрушает цели после каждого импульса, требуя новой цели для каждого выстрела. Другая проблема — дивергенция луча — протоновые балки, полученные LPAS, обычно распространяются как прожектор, а не поддержание узкого фокуса. Как необходимость в замене цели, так и дивергенции луча значительно снижают эффективность систем LPA.

Просто добавьте воду

В этом недавнем исследовании исследователи совершили неожиданный прорыв, одновременно решив многочисленные проблемы, хотя они только стремились к одному.

Работая на центральной лазерной лабораторной установке STFC Rutherford Appleton, команда проверила новую цель, разработанную исследователями в SLAC, для борьбы с неэффективностью замены целей после каждого лазерного импульса. Вместо того, чтобы использовать традиционную твердую целевую цель, они ввели тонкий лист воды-саморегенерирующий поток, который пополняется после каждого выстрела. Когда лазер ударил воду, он создал протонную луч, как и предполагалось.

Но потом произошло что -то удивительное. Удастная вода образовала паров -облако вокруг цели, которая взаимодействовала с протонным пучком для создания магнитных полей. Эти поля естественным образом сфокусировали луч, что привело к более яркой, более плотно выровненной протонной луче.

По сравнению с аналогичными экспериментами с твердыми мишенями, водяной лист уменьшал дивергенцию протонной луча на порядок и повышал эффективность луча в 100 лет. Протонный луч демонстрировал замечательную стабильность, постоянно работая при пять импульсов в секунду над сотнями лазера. выстрелы.

«Этот эффект был совершенно неожиданным», — сказал Гриффин Гленн, доктор философии Стэнфордского университета. Студент участвует в проектировании целевого уровня водяных листов и проведении анализа данных, а также второго автора в статье. Множество переменных в этом эксперименте, включая подробные свойства лазера, водяного листа и вакуумной среды, невозможно сделать такие прогнозы.

Однако, наблюдая за явлением, команда использовала экспериментальные данные для моделирования и получения более глубокого понимания основных сил, влияющих на эффект. Результаты команды показывают, что этот подход может быть масштабирован до систем с более высокой энергией, что позволяет еще более ярким и энергичным протонным балкам.

«Эта работа изменила всю парадигму», — сказал Глензер. «Наконец, мы больше не полностью полагаемся на моделирование. Теперь мы можем управлять физикой с экспериментальной точки зрения, проверяя различные интенсивности лазера, плотности целей и давление на окружающую среду. Весь физический режим находится перед нами».

Примечательно, что протонный луч последовательно доставлял эквивалент 40 серого с каждым выстрелом, стандартной дозировки радиации, используемой в протонной терапии, никогда ранее не достигаемой с помощью LPA, работающих с этой скоростью повторения. Кроме того, результаты были достигнуты с использованием легкодоступной лазерной системы с низким энергопотреблением, что отмечает значительный прогресс на подготовку LPA для практического применения в медицине и промышленности.