En stærk ny kilde til højenergiprotoner

For næsten 20 år siden, forskere, der udførte eksperimenter på Lawrence Livermore National Laboratory's (LLNL) Nova Petawatt lasersystem - verdens første quadrillion watt laser - opdagede, at da systemets intense kortpulsede laserstråler ramte et tyndt foliemål, en uventet strøm af elektroner og protoner med høj energi strømmede bag på målet.

Tidligere på måneden, et internationalt team af forskere brugte Nova Petawatts efterfølger, National Ignition Facility's (NIF) petawatt-klasse Advanced Radiographic Capability (ARC), at begynde at udvikle en eksperimentel platform, der lover at gøre Nova's overraskende opdagelse til en kraftfuld ny kilde til protoner for at studere de ekstreme forhold dybt inde i planeterne og stjernerne, forbedre målrettet tumorterapi og fremme grænserne for videnskab med høj energitæthed (HED).

I to NIF Discovery Science-eksperimenter, forskerne affyrede fire ARC-stråler mod en 33-mikron tyk titaniumfolie, opsætning af et stærkt elektrostatisk kappefelt kaldet et Target Normal Sheath Accelerating (TNSA) felt vinkelret på målet (normalt er en geometrisk betegnelse for vinkelret). Da feltet blæste væk fra bagsiden af ​​målet, det accelererede protoner og ioner med høj energi fra forureningslaget af protonrige kulbrinter og vand, der dækker målets overflade, alle bevæger sig hurtigt i samme retning.

”Resultaterne var så gode, som vi havde håbet på, "sagde LLNL -fysikeren Tammy Ma, kampagnens hovedforsker. "Det var bestemt en sejr. ARC er ikke så intens som mange andre kortpulslasere, så nogle i samfundet var bekymrede for, at intensiteterne måske ikke var tilstrækkelige til at generere disse bjælker. Men (resultatet) var flere protoner end vi forventede med energier, der nærmede sig 20 MeV (millioner elektronvolt) - bestemt en kilde, der vil muliggøre andre applikationer og sej fysik. "

I forsøgene, to af NIFs 192 strålelinjer blev delt for at danne de fire kortpuls ARC-stråler. Strålerne blev affyret samtidigt i 10 eller et picosekund (billioner af et sekund), generere op til 200 terawatts (billioner watt) strøm pr. beamlet. De i alt omkring 700 terawatt i det andet eksperiment var den højeste spidseffekt, der endnu var genereret på NIF.

ARCs høje spidseffekt er muliggjort af en proces kaldet chirped-pulsforstærkning, hvori en kort, bredbåndsimpuls genereret af en oscillator strækkes i tid for at reducere dens maksimale intensitet, derefter forstærket ved intensiteter under skadetærsklen i laserforstærkerne, og endelig komprimeret til en kort puls og højeste spidseffekt i store kompressorkar.

Den nye Discovery Science -platform, understøttet af LLNL's Laboratory Directed Research and Development (LDRD) program, er designet til at studere fysikken i partikelstrålegenerering ved tidligere uudforskede ultrahøje kortpulslaserenergier og lange pulsvarigheder. Koblet til NIFs 1,8 millioner joule ultraviolet energi, kapaciteten vil muliggøre utallige HED -applikationer og tillade oprettelse og undersøgelse af ekstreme materielle tilstande.

NIF er verdens eneste facilitet, der er i stand til at opnå forhold som dem, der er i stjernerne og kæmpe planeter. Brug af ARC-kortpulsgenererede protonstråler til ultrahurtig opvarmning af stof til ekstreme tilstande vil muliggøre opacitet og tilstandsligningsmålinger ved hidtil usete energitæthedstilstande.

Ud over, "protoner deponerer deres energi meget specifikt, "bemærkede LLNL postdoc Derek Mariscal, ledende eksperimentelist til projektet. "Derfor er protoner lovende til applikationer som f.eks. Tumorterapi. Du kan sende en stråle protoner mod en tumor og få den til at deponere al sin energi præcis der, hvor du vil have den, uden at beskadige andre områder af kroppen.

"Ligeledes med et solidt materiale, "sagde han." (protonstrålen) deponerer sin energi, hvor du vil have den meget hurtigt, så du kan opvarme et materiale rigtig hurtigt, før det når at hydrodynamisk ekspandere - dit materiale forbliver tæt, og det er navnet på spillet – høj energi, stor tæthed."

Når proton-accelerationsplatformen er blevet demonstreret og forstået, Mariscal sagde, det næste trin i projektet vil være at affyre ARC -bjælkerne mod en deutereret kulstof (CD) folie for at generere en stråle af deuteroner. "Du kan påvirke dem på en anden folie, som lithiumfluorid eller beryllium, og så får du en stråle af neutroner – en rigtig, laserlignende neutronkilde, bruger kun to stråler af NIF i stedet for alle 192."