Учёные установили новый рекорд в ускорении протонов

Учёные из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) достигли значительного прогресса в области лазерной плазменной акселерации. Исследовательская группа, применив инновационный метод, смогла значительно превзойти предыдущие достижения в ускорении протонов. Впервые были достигнуты энергии, которые ранее считались возможными только на крупных установках. Как сообщается в журнале Nature Physics , это открытие открывает новые перспективы для применения в медицине и материаловедении.

Компактные и энергоэффективные ускорители

Лазерная плазменная акселерация открывает новые возможности. В отличие от традиционных ускорителей, она обещает быть более компактной и энергоэффективной. Вместо использования мощных радиоволн для разгона частиц, новая технология использует лазеры.

Принцип работы основан на сверхкоротких, но высокоинтенсивных лазерных импульсах, которые воздействуют на тончайшие фольги. Свет нагревает материал до такой степени, что из него выбиваются электроны, тогда как атомные ядра остаются на месте. Это приводит к образованию сильного электрического поля, которое может разогнать протонный импульс до энергий, требующих значительно больших расстояний при использовании традиционных технологий.

До сих пор удавалось достигать энергии протонов до 100 МэВ, используя исключительно крупные лазерные системы. Для достижения схожих энергий на более компактных установках команда физиков HZDR Карла Цайля и Тима Циглера выбрала новый подход.

Преодоление традиционных ограничений

Исследователи использовали свойство лазерных импульсов, которое обычно считается недостатком. «Энергия импульса не активируется мгновенно, как в идеале», — объясняет Циглер. «Часть энергии опережает основной импульс, подобно авангарду».

В новой концепции это опережающее свечение играет ключевую роль. Когда оно попадает на специально изготовленную пластиковую фольгу в вакуумной камере, оно меняет её особым образом. Фольга расширяется, становится горячее и тоньше, практически плавясь в процессе нагрева. Это положительно влияет на основной импульс, позволяя ему проникать глубже в материал и вызывая более сложный каскад механизмов ускорения. В результате, энергия протонов возросла почти вдвое — с 80 МэВ до 150 МэВ.

Эксперименты и новые возможности

Для достижения этого рекорда команда провела серию экспериментов, определяя идеальные параметры взаимодействия, такие как оптимальная толщина используемых пленок. Анализ данных показал, что ускоренный пучок частиц обладает узким распределением энергии, что выгодно для будущих применений, так как обеспечивает высокую и равномерную энергию протонов.

Одним из таких применений является исследование новых радиобиологических методов для точного и щадящего лечения опухолей. Этот метод предполагает использование высоких доз радиации за короткий период. До сих пор для таких исследований использовались крупные традиционные терапевтические ускорители, доступные лишь в нескольких центрах в Германии. Новая процедура HZDR делает использование компактных лазерных систем более вероятным, что позволит большему числу исследовательских групп проводить такие исследования и создавать радиационные сценарии, недоступные для традиционных систем.

Преимущества энергоэффективности

По словам Циглера, современные установки требуют большого количества энергии. Использование лазерной плазменной акселерации может значительно сократить энергопотребление, делая их гораздо более экономичными. Эта процедура также может быть использована для эффективного создания нейтронов, что важно для научных и технологических исследований, а также для анализа материалов.

В будущем учёные планируют усовершенствовать новый метод и лучше понять его. Они намерены сотрудничать с другими лабораториями для более точного контроля процесса и сделать технологию более доступной. Также в планах дальнейшее увеличение энергии протонов до более чем 200 МэВ.

Таким образом, прорыв в области лазерной плазменной акселерации открывает новые горизонты и возможности для различных областей науки и техники, делая эту технологию перспективной и востребованной в будущем.