I samarbete med sina kollegor från Tyskland och Tjeckien, forskare från Institute for Laser and Plasma Technologies vid National Research Nuclear University MEPhI (Ryssland) har utvecklat en ny metod för att generera superstarka kvasistatiska elektriska fält som resulterar i acceleration av joner i laserplasma.

Denna forskning är av stor betydelse inom medicin, särskilt för protonstrålebehandling, en modern cancerbehandling. Tidningen publicerades i Vetenskapliga rapporter .

Det finns tre huvudmetoder för behandling av cancer:kirurgiskt ingrepp, kemoterapi och strålning (strålbehandling). Strålterapi är baserad på applicering av joniserande strålning, vilket är skadligt för både tumören och den friska vävnaden som omger den. Detta medför vissa begränsningar för gammastrålar, som används vid strålbehandling.

Det är därför det är mycket bättre att använda protoner. På grund av den relativt stora massan av protoner, strålen förblir fokuserad, tillåter forskare att rikta tumörer exakt utan att skada den friska vävnaden som omger dem.

Dock, att generera en protonstråle kräver en partikelaccelerator, som är en mycket dyr utrustning som väger många ton. Till exempel, synkrocyclotronacceleratorn som används vid det terapeutiska centret i Orsay, Frankrike, väger totalt 900 ton. Det är därför som många världsuniversitet för närvarande arbetar med att utveckla alternativa metoder för att generera strålar av ultrasnabba partiklar. En av dem är baserad på laserstråleacceleratorer.

Laserstråleacceleratorer är betydligt billigare och mer kompakta än konventionella cyklotroner och synkrotroner, men kvaliteten på strålarna som erhålls med deras hjälp är inte tillräcklig för de flesta praktiska tillämpningar på grund av protonernas stora energiområde och otillräcklig effekt. I dag, forskare tävlar om att utveckla nya laseraccelerationsmetoder:att få en protonstråle med en effekt på 100-200 MeV och ett energiområde på högst några få procent skulle inleda en ny era inom lasermedicin.

Enligt MEPhI -forskare teorin de utvecklat kan hjälpa till att leda till nya laseraccelerationsmetoder. "I vår forskning, vi förutspådde i teorin och demonstrerade, med hjälp av numerisk modellering, en effekt som till synes är paradoxal:den effekt som strålningsreaktionskraften har på de laddade partiklarna, som avger elektromagnetiska vågor, kan bidra till deras acceleration, "sa Yevgeny Gelfer, biträdande professor vid MEPhI:s avdelning för teoretisk kärnfysik och forskare vid Extreme Light Infrastructure Beamlines Institute i Tjeckien.

I vanliga mekaniska system, friktionskrafter leder alltid till förlust av rörelseenergi och dämpning av organiserad rörelse. Strålningsreaktionskraften, dock, agerar annorlunda - det uppstår som ett resultat av energiöverföring i det yttre fältet (i det här fallet, laserfältet). Denna energiöverföring utförs av elektroner. Under processen att överföra energi från en reservoar till en annan, elektroner kan sakta ner och påskynda.

"Vi studerade utbredningen av superstarka laserimpulser i plasma, "Sade Gelfer." I elektromagnetiska fält med intensiteten på flera PW och högre (1 PW är lika med 1015 W; kapaciteten för det största kraftverket i världen är 22, 500 MW, vilket är cirka 50, 000 gånger mindre), elektroner avger strålning så intensivt att deras rörelse inte bara definieras av Lorentz -kraften, men också av strålningsreaktionskraften, som uppstår till följd av strålningsrekyl. Faktiskt, den senare kan till och med överskrida Lorentz -kraften. Vi bevisade att vår bromsning av elektroner med hjälp av strålningsfriktion i planet vinkelrätt mot laserstrålens förökning ökar hastigheten på deras rörelse, vilket bidrar till mer effektiv laddningsseparation i plasma och förstärkning av det bildade longitudinella elektriska fältet. Detta fält orsakar acceleration av joner, det är därför våra resultat kan bidra till utvecklingen av nya sätt att få högkvalitativa jonstrålar. "