Ekstremt lille og hurtig:Laser antænder varmt plasma

Når lysimpulser fra et ekstremt kraftigt lasersystem affyres på materialeprøver, lysets elektriske felt river elektronerne af atomkernerne. I brøkdele af et sekund, skabes et plasma. Elektronerne kobler sig sammen med laserlyset i processen, derved når næsten lysets hastighed. Når man flyver ud af materialeprøven, de trækker atomkernerne (ionerne) bag sig. For at undersøge denne komplekse accelerationsproces eksperimentelt, forskere fra det tyske forskningscenter Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har udviklet en ny type diagnostik til innovative laserbaserede partikelacceleratorer. Deres resultater er nu offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

"Vores mål er en ultrakompakt accelerator til ionterapi, kræftbestråling med ladede partikler, " siger fysiker Dr. Thomas Kluge fra HZDR. Udover klinikker, den nye acceleratorteknologi kan også gavne universiteter og forskningsinstitutioner. Imidlertid, der skal meget forsknings- og udviklingsarbejde til, før teknologien er klar til brug. DRACO-laseren i Helmholtz-centret i Dresden opnår i øjeblikket energier på omkring 50 megaelektronvolt. Imidlertid, 200 til 250 megaelektronvolt er påkrævet for at bestråle en tumor med protoner.

Takket være dens ultrakorte pulser i intervallet af få femtosekunder - et tidsrum, hvor en lysstråle rejser en afstand på en brøkdel af et menneskehår - opnår DRACO-laseren en effekt på næsten en petawatt. Det svarer til 100 gange den gennemsnitlige elektriske effekt, der genereres på verdensplan.

"Vi er nødt til at forstå de individuelle processer, der er involveret i at accelerere elektroner og ioner meget bedre, " siger Kluge. Sammen med kolleger fra Dresden, Hamborg, Jena, Siegen og USA, HZDR-forskerne har observeret disse ekstremt hurtige processer praktisk talt i realtid på SLAC National Accelerator Laboratory ved Stanford University i USA.

For at opnå denne bedrift, forskerne brugte to specielle lasere på samme tid:Højintensitetslaseren hos SLAC har en effekt på omkring 40 terawatt – dvs. omkring 25 gange svagere end DRACO. Når man rammer materialeprøven (målet), det antænder plasmaet. Den anden laser er en røntgenlaser, som bruges til at registrere de enkelte processer, fra ioniseringen af ​​partiklerne i målet og udvidelsen af ​​plasmaet, til de plasmasvingninger og ustabiliteter, der opstår, når elektronerne opvarmes til flere millioner grader Celsius, og den effektive acceleration af elektronerne og ionerne.

"Ved brug af småvinklet spredningsmetode, vi har realiseret målinger i femtosekundområdet og på skalaer fra nogle få nanometer til flere hundrede nanometer, " siger HZDR-ph.d.-studerende Melanie Rödel, der spillede en ledende rolle i eksperimentet. Flere års arbejde var nødvendigt for at få adgang til disse områder og opnå rene signaler på spredningsbillederne af røntgenlaseren.

"Den nye diagnostik for laserbaserede acceleratorer har på fremragende vis bekræftet vores forventninger til dens rumlige og tidsmæssige opløsning. Vi har således banet vejen for direkte observation af plasma-fysiske processer i realtid, " siger Dr. Josefine Metzkes-Ng, leder af en af ​​de deltagende juniorforskergrupper ved HZDR's Institut for Strålingsfysik.

Fra og med 2019, Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), som HZDR i øjeblikket er ved at etablere som led i et internationalt samarbejde på verdens stærkeste røntgenlaser, den europæiske XFEL nær Hamborg i Tyskland, vil give næste generations eksperimentelle opsætning med en væsentligt kraftigere kortpulslaser.

Høj elektrontæthed takket være fingerstruktur

For fysikerne involveret i eksperimenterne, en specifik detalje fra deres beregninger lavet for en bestemt øjenåbner. "Vores mål blev specielt udviklet på HZDR Ion Beam Center til at have en slags lille fingerstruktur på deres overflade. Laserstrålen spredes på denne struktur, hvilket resulterer i, at et særligt stort antal elektroner fra hjørnerne accelereres og krydser hinanden, " forklarer Thomas Kluge.

Det faktum, at denne detalje forudsagt af beregningerne blev observeret i eksperimentet, som kun varer 10 femtosekunder, betyder, at videnskabsmænd kunne observere yderligere spontane mønsterdannelser (ustabiliteter). Disse kan være forårsaget, for eksempel, ved elektronernes oscillation i laserens elektromagnetiske felt.

Forskerne er interesserede i at identificere ustabiliteter, der forstyrrer accelerationen af ​​elektronerne og ionerne - med det formål at undgå dem ved at vælge egnede mål, for eksempel. "Imidlertid, Vi ved også fra vores simuleringer, at ustabilitet endda kan øge effektiviteten af ​​accelerationsprocessen, " forklarer fysikeren. "I vores simuleringer, vi har identificeret Raleigh-Taylor ustabiliteten, blandt andre." Dette får den optiske laser til at overføre mere energi til det plasma, den genererer. Sådanne 'positive' ustabiliteter kan således være vigtige for at optimere processen med ionacceleration medieret af elektronerne.

Laserforskerne forventer, at den nye HIBEF-facilitet vil give mange flere indsigter i plasmaacceleration. Dette 'ekstreme laboratorium' i HZDR vil forsyne High Energy Density Science (HED) instrumentet på det europæiske XFEL med højeffektlasere. "Røntgenpulsen fra den europæiske XFEL, hvormed vi vil måle processerne i plasmaet, er meget kort. Vi planlægger også at bruge yderligere diagnostiske værktøjer, så vi optimalt kan studere plasmaoscillationerne, for eksempel, se yderligere ustabilitet i eksperimentet, og også generere dem på en målrettet måde, " siger Thomas Kluge. På den måde HZDR-forskerne sigter efter gradvist at komme tættere på deres mål om at udvikle en ultrakompakt laseraccelerator til protonterapi af kræft.

Forskerne har taget et afgørende skridt hen imod brugen af ​​næste generation af laserbaserede partikelacceleratorer. Ved hjælp af den kraftfulde røntgenfri-elektronlaser ved SLAC i Californien, de var i stand til at undersøge plasmaprocesserne for første gang på de små skalaer på få nanometer og femtosekunder, hvorpå den turbulente laserinteraktion med de partikler, der skal accelereres, finder sted. I fremtiden, processerne kunne således optimeres og de kompakte laserbaserede partikelacceleratorer kunne anvendes, for eksempel, til tumorbestråling ved hjælp af protoner.