För nästan 20 år sedan, forskare som utför experiment på Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Nova Petawatt lasersystem-världens första kvadrillion watt laser-upptäckte att när systemets intensiva kortpulslaserstrålar träffade ett tunt foliemål, en oväntad ström av elektroner och protoner med hög energi strömmade från baksidan av målet.

Tidigare den här månaden, ett internationellt team av forskare använde Nova Petawatts efterträdare, National Ignition Facility (NIF) petawatt-klassens avancerade radiografiska förmåga (ARC), att börja utveckla en experimentell plattform som lovar att förvandla Novas överraskande upptäckt till en kraftfull ny källa till protoner för att studera de extrema förhållandena djupt inne i planeterna och stjärnorna, förbättra målinriktad tumörterapi och avancera gränserna för vetenskap med hög energitäthet (HED).

I två NIF Discovery Science -experiment, forskarna avfyrade fyra ARC-strålar mot en 33 mikron tjock titanfolie, sätta upp ett starkt elektrostatiskt mantelfält som kallas ett Target Normal Sheath Accelerating (TNSA) -fält vinkelrätt mot målet (normalt är en geometrisk term för vinkelrätt). När fältet blåste bort från baksidan av målet, det accelererade högenergiprotoner och joner från kontamineringsskiktet av protonrika kolväten och vatten belagde målets yta, alla rör sig snabbt i samma riktning.

"Resultaten var så bra som vi hade hoppats på, "sa LLNL -fysikern Tammy Ma, kampanjens huvudutredare. "Det var definitivt en vinst. ARC är inte lika intensiv som många andra kortpulslasrar, så några i samhället var oroliga för att intensiteten kanske inte var tillräcklig för att generera dessa strålar. Men (resultatet) var fler protoner än vi förväntade oss med energier som närmar sig 20 MeV (miljoner elektronvolts) - definitivt en källa som möjliggör andra applikationer och cool fysik. "

I experimenten, två av NIF:s 192 strållinjer delades för att bilda de fyra kortpulsade ARC-strålarna. Strålarna avfyrades samtidigt i 10 eller en pikosekund (biljondelar av en sekund), generera upp till 200 terawatts (biljoner watt) effekt per strålkastare. Totalt cirka 700 terawatts i det andra experimentet var den högsta toppeffekten som ännu genererats på NIF.

ARC:s höga toppeffekt möjliggörs genom en process som kallas chirped-pulsförstärkning, där en kort, bredbandspuls som genereras av en oscillator sträcks i tid för att minska dess toppintensitet, förstärks sedan med intensiteter under skadetröskeln i laserförstärkarna, och slutligen komprimerad till en kort puls och högsta toppeffekt i stora kompressorkärl.

Den nya plattformen Discovery Science, stöds av LLNL:s Laboratory Directed Research and Development (LDRD) program, är utformad för att studera fysiken för partikelstrålegenerering vid tidigare outforskade ultrahöga kortpulslaserenergier och långa pulslängder. Kopplat till NIF:s 1,8 miljoner joule ultraviolett energi, förmågan kommer att möjliggöra otaliga HED -applikationer och tillåta skapande och studier av extrema materiella tillstånd.

NIF är världens enda anläggning som kan uppnå förhållanden som i stjärnornas och gigantiska planets inre. Användning av ARC-kortpulsgenererade protonstrålar för ultrasnabb uppvärmning av materia till extrema tillstånd möjliggör opacitet och ekvationsmätningar vid aldrig tidigare skådade energitäthetstillstånd.

Dessutom, "protoner lägger ner sin energi mycket specifikt, "noterade LLNL postdoc Derek Mariscal, ledande experimentist för projektet. "Det är därför protoner lovar för applikationer som tumörterapi. Du kan skicka en stråle av protoner mot en tumör och få den att avsätta all sin energi precis där du vill att den ska utan att skada andra delar av kroppen.

"Likaså med ett fast material, "sa han." (protonstrålen) avsätter sin energi där du vill att den ska snabbt, så att du kan värma upp ett material riktigt snabbt innan det hinner hydrodynamiskt expandera - ditt material förblir tätt, och det är namnet på spelet - hög energi, hög densitet."

När väl protonaccelerationsplattformen har visats och förståtts, Mariscal sa, nästa steg i projektet blir att avfyra ARC -strålarna mot en deutererad kolfolie (CD) för att generera en stråle av deuteroner. "Du kan påverka dem på en andra folie, som litiumfluorid eller beryllium, och sedan får du en stråle neutroner - en riktig, laserliknande neutronkälla, använder bara två NIF -balkar istället för alla 192. "