Учени поставиха нов рекорд в ускоряването на протони

Учените от Центъра „Хелмхолц“ в Дрезден-Розендорф (HZDR) са постигнали значителен напредък в областта на лазерното ускоряване на плазма. Изследователският екип успя да надмине значително предишните постижения в ускоряването на протони, като приложи иновативен метод. За първи път бяха постигнати енергии, които досега се смятаха за възможни само в големи съоръжения. Както се съобщава в списание Nature Physics, това откритие открива нови перспективи за приложения в медицината и материалознанието.

Компактни и енергийно ефективни ускорители

Ускоряването на лазерна плазма открива нови възможности. За разлика от конвенционалните ускорители, то обещава да бъде по-компактно и енергийно ефективно. Вместо да се използват мощни радиовълни за ускоряване на частици, новата технология използва лазери.

Принципът на работа се основава на ултракъси, но високоинтензивни лазерни импулси, които атакуват и най-тънките слоеве. Светлината нагрява материала до такава степен, че електроните се изхвърлят от него, докато атомните ядра остават на място. Това създава силно електрическо поле, което може да ускори протонен импулс до енергии, за които са необходими много по-големи разстояния при използване на конвенционални техники.

Досега е било възможно да се постигнат енергии на протоните до 100 MeV, като се използват изключително големи лазерни системи. За да постигне подобни енергии с по-малки съоръжения, екипът на физиците от HZDR Карл Цайл и Тим Циглер избра нов подход.

Преодоляване на традиционните ограничения

Изследователите са използвали едно свойство на лазерните импулси, което обикновено се смята за недостатък. „Енергията на импулса не се активира мигновено, както би било в идеалния случай“, обяснява Циглер. „Част от енергията изпреварва основния импулс, подобно на авангард.“

В новата концепция това изпреварващо светене играе ключова роля. Когато то попадне върху специално изработеното пластмасово фолио във вакуумната камера, то го променя по специален начин. Фолиото се разширява, става по-горещо и по-тънко, като почти се разтапя при нагряването си. Това има положителен ефект върху основния импулс, като му позволява да проникне по-дълбоко в материала и да задейства по-сложна каскада от механизми за ускоряване. В резултат на това енергията на протоните почти се удвоява – от 80 MeV на 150 MeV.

Експерименти и нови възможности

За да постигне този рекорд, екипът проведе серия от експерименти, определяйки идеалните параметри на взаимодействие, като например оптималната дебелина на използваните слоеве. Анализът на данните показа, че снопът ускорени частици има тясно разпределение на енергията, което е благоприятно за бъдещи приложения, тъй като осигурява високи и равномерни енергии на протоните.

Едно от тези приложения е изследването на нови радиобиологични техники за прецизно и щадящо лечение на тумори. Този метод включва използването на високи дози радиация за кратък период от време. Досега за подобни изследвания се използваха големи конвенционални терапевтични ускорители, които са на разположение само в няколко центъра в Германия. Новата процедура HZDR прави по-вероятно използването на компактни лазерни системи, което ще позволи на повече изследователски групи да провеждат такива изследвания и да създават радиационни сценарии, които са недостъпни за конвенционалните системи.

Предимства на енергийната ефективност

Според Зиглер сегашните инсталации изискват големи количества енергия. Използването на лазерно плазмено ускорение може значително да намали потреблението на енергия, което ги прави много по-икономични. Процедурата може да се използва и за ефективно създаване на неутрони, което е важно за научни и технологични изследвания, както и за анализ на материали.

В бъдеще учените планират да усъвършенстват новия метод и да го разберат по-добре. Те възнамеряват да си сътрудничат с други лаборатории, за да контролират процеса по-прецизно и да направят технологията по-достъпна. Те също така планират да увеличат допълнително енергията на протоните до над 200 MeV.

По този начин пробивът в лазерното ускоряване на плазмата открива нови хоризонти и възможности за различни области на науката и технологиите, което прави тази технология перспективна и търсена в бъдеще.