Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Kolliderende lasere fordobler energien fra protonstråler

En standard lasergenereret protonstråle dannes ved at affyre en laserpuls mod en tynd metallisk folie. Den nye metode indebærer i stedet først at opdele laseren i to mindre intense pulser, før du skyder begge på folien fra to forskellige vinkler samtidigt. Når de to pulser støder sammen på folien, de resulterende elektromagnetiske felter opvarmer folien ekstremt effektivt. Teknikken resulterer i protoner med højere energi, mens de bruger den samme indledende laserenergi som standardmetoden. Kredit:Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology

Forskere fra Sveriges Chalmers University of Technology og University of Gothenburg præsenterer en ny metode, der kan fordoble energien fra en protonstråle produceret af laserbaserede partikelacceleratorer. Gennembruddet kan føre til mere kompakte, billigere udstyr, der kan være nyttigt til mange applikationer, herunder protonterapi.

Protonterapi indebærer at affyre en stråle af accelererede protoner mod kræftsvulster, dræbe dem gennem bestråling. Men det nødvendige udstyr er så stort og dyrt, at det kun findes få steder i verden.

Moderne kraftfulde lasere giver mulighed for at reducere udstyrets størrelse og omkostninger, da de kan accelerere partikler over en meget kortere afstand end traditionelle acceleratorer - hvilket reducerer den nødvendige afstand fra kilometer til meter. Problemet er, trods indsats fra forskere rundt om i verden, lasergenererede protonstråler er i øjeblikket ikke energiske nok. Men nu, de svenske forskere præsenterer en ny metode, der giver en fordobling af energien - et stort spring fremad.

Standardmetoden indebærer at affyre en laserpuls mod en tynd metallisk folie, med interaktionen resulterer i en stråle af højtladede protoner. Den nye metode indebærer i stedet først at opdele laseren i to mindre intense pulser, før du skyder begge på folien fra to forskellige vinkler samtidigt. Når de to pulser støder sammen på folien, de resulterende elektromagnetiske felter opvarmer folien ekstremt effektivt. Teknikken resulterer i protoner med højere energi, mens de bruger den samme indledende laserenergi som standardmetoden.

"Dette har fungeret endnu bedre, end vi turde håbe. Målet er at nå de energiniveauer, der faktisk bruges i protonterapi i dag. I fremtiden vil det måske være muligt at bygge mere kompakt udstyr, kun en tiendedel af den nuværende størrelse, så et normalt hospital kunne tilbyde deres patienter protonterapi, "siger Julien Ferri, en forsker ved Institut for Fysik på Chalmers, og en af ​​forskerne bag opdagelsen.

Den unikke fordel ved protonterapi er dens præcision i målretning mod kræftceller, dræbe dem uden at skade raske celler eller organer i nærheden. Metoden er derfor afgørende for behandling af dybtliggende tumorer, placeret i hjernen eller rygsøjlen, for eksempel. Jo højere energi protonstrålen har, jo længere ind i kroppen det kan trænge ind for at bekæmpe kræftceller.

Selvom forskernes præstation med at fordoble protonstrålernes energi repræsenterer et stort gennembrud, slutmålet er stadig langt væk.

"Vi skal nå op til 10 gange de nuværende energiniveauer for virkelig at målrette dybere ind i kroppen. En af mine ambitioner er at hjælpe flere mennesker med at få adgang til protonterapi. Måske ligger det 30 år frem i tiden, men hvert skridt frem er vigtigt, "siger Tünde Fülöp, Professor ved Institut for Fysik på Chalmers.

Accelererede protoner er ikke kun interessante til behandling af kræft. De kan bruges til at undersøge og analysere forskellige materialer, og at gøre radioaktivt materiale mindre skadeligt. De er også vigtige for rumindustrien. Energiske protoner udgør en stor del af kosmisk stråling, som skader satellitter og andet rumudstyr. Ved at producere energiske protoner i laboratoriet kan forskere undersøge, hvordan sådan skade opstår, og at udvikle nye materialer, der bedre kan modstå belastningerne ved rumrejser.

Sammen med forskningskollega Evangelos Siminos ved Göteborgs universitet, Chalmers -forskerne Julian Ferri og Tünde Fülöp brugte numeriske simuleringer for at vise metodens gennemførlighed. Deres næste trin er at gennemføre eksperimenter i samarbejde med Lunds Universitet.

"Vi ser nu på flere måder til yderligere at øge energiniveauet i protonstrålerne. Forestil dig at fokusere alt sollys, der rammer Jorden på et givet tidspunkt på et enkelt sandkorn - det ville stadig være mindre end laserstrålernes intensitet som vi arbejder med. Udfordringen er at levere endnu mere af laserenergien til protonerne. " siger Tünde Fülöp.

De nye videnskabelige resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Kommunikationsfysik , en del af Natur familie.

Varme artikler