Mindre laseranlæg bruger ny metode til at overgå tidligere rekord for protonacceleration

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har gjort et betydeligt fremskridt inden for laserplasmaacceleration. Ved at anvende en innovativ metode lykkedes det et forskerhold at overgå den tidligere rekord for protonacceleration væsentligt.

For første gang opnåede de energier, som hidtil kun har set ud til at være mulige på meget større anlæg. Som forskergruppen rapporterer i tidsskriftet Nature Physics , lovende anvendelser inden for medicin og materialevidenskab er nu blevet meget mere sandsynlige.

Laserplasmaacceleration åbner interessante perspektiver:Sammenlignet med konventionelle acceleratorer giver det løftet om mere kompakte, mere energieffektive faciliteter – for i stedet for at bruge kraftige radiobølger til at få partikler i bevægelse, bruger den nye teknologi lasere til at accelerere dem.

Princippet er, at ekstremt korte, men højintensive laserimpulser skyder på wafertynde folier. Lyset opvarmer materialet i en sådan grad, at utallige elektroner kommer ud af det, mens atomkernerne forbliver på plads.

Da elektronerne er negativt ladede, og atomkernerne er positive, dannes der i kort tid et stærkt elektrisk felt mellem dem. Dette felt kan katapultere en protonimpuls over kun få mikrometer til energier, der ville kræve væsentligt længere afstande ved brug af konventionel acceleratorteknologi.

Denne teknologi er dog stadig på forskningsstadiet:Indtil videre har det kun været muligt at opnå protonenergier på op til 100 MeV og kun ved at bruge ekstremt store lasersystemer, som der kun er nogle få af i verden.

For at opnå tilsvarende høje acceleratorenergier med mindre laserfaciliteter og kortere pulser forfulgte holdet af HZDR-fysikere Karl Zeil og Tim Ziegler en ny tilgang. De udnytter en egenskab ved laserblink, der generelt ses som en fejl. "En pulss energi slår ikke ind med det samme, hvilket ville være det ideelle tilfælde," rapporterer Ziegler. "I stedet suser lidt af laserenergien foran sig, som en slags fortrop."

Pludselig gennemsigtig

I det nye koncept er det dette lys, der suser frem, der spiller en nøglerolle. Når den rammer en specialfremstillet plastfolie i et vakuumkammer, kan den ændre den på en bestemt måde. "Foliet udvider sig på grund af lysets påvirkning og bliver stadig varmere og tyndere," forklarer Ziegler. "Foliet smelter effektivt under opvarmningsprocessen."

Dette har en positiv indvirkning på den primære puls, som følger med det samme:Folien, som ellers i høj grad ville reflektere lyset, bliver pludselig gennemsigtig, hvilket tillader den primære puls at trænge dybere ind i materialet, end den gjorde i tidligere eksperimenter.

"Resultatet er, at en kompleks kaskade af accelerationsmekanismer udløses i materialet," siger Ziegler, "hvordan protonerne indeholdt i filmen accelereres meget mere, end de blev af vores DRACO-laser."

Mens anlægget tidligere opnåede protonenergier på cirka 80 MeV, kan det nu generere 150 MeV - næsten det dobbelte. For at opnå denne rekord var holdet nødt til at udføre en række eksperimenter for at nærme sig de perfekte interaktionsparametre, for eksempel med hensyn til den optimale tykkelse af de anvendte film.

Da forskergruppen analyserede måledataene, opdagede forskergruppen, at den accelererede partikelstråle havde en anden behagelig egenskab:Højenergiprotonerne udviser en snæver energifordeling, hvilket betyder, at de billedligt talt alle er omtrent lige hurtige - en fordelagtig egenskab til senere anvendelser -hvilke høje, ensartede protonenergier er yderst gavnlige.

Fordel:Energieffektivitet

En af disse applikationer er at undersøge nye radiobiologiske koncepter til præcis, skånsom tumorbehandling. Ved hjælp af denne metode påføres meget høje strålingsdoser i en meget kort periode. Til disse undersøgelser er der indtil nu hovedsagelig blevet brugt store konventionelle terapiacceleratorer, som kun er tilgængelige på få centre i Tyskland, og som naturligvis er prioriteret til patientbehandling.

Den nye HZDR-procedure gør nu brugen af ​​kompakte lasersystemer mere sandsynlig, hvilket gør det muligt for yderligere forskergrupper at få adgang til disse undersøgelser og lette strålingsscenarier, som konventionelle systemer ikke kan levere. "Desuden har dagens faciliteter brug for meget strøm," siger Ziegler. "Baseret på laserplasmaacceleration kunne de være meget mere økonomiske."

Fremgangsmåden kunne også bruges til effektiv generering af neutroner. Laserblinkene kan bruges til at producere korte, intense neutronimpulser, som er af interesse til brug inden for videnskab og teknologi såvel som til materialeanalyse.

Også her lover plasmaacceleratorer at udvide de tidligere anvendelsesområder markant. Men først og fremmest ønsker forskerne at forfine den nye metode og forstå den bedre. De ønsker blandt andet at samarbejde med andre laboratorier om at styre processen mere præcist og gøre teknologien mere tilgængelig. Og yderligere rekorder er også på dagsordenen:energier på mere end 200 MeV synes fuldt ud mulige.

Flere oplysninger: Tim Ziegler et al., Laserdrevne højenergi-protonstråler fra kaskade-accelerationsregimer, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02505-0

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres