När ljuspulser från ett extremt kraftfullt lasersystem avfyras på materialprover, ljusets elektriska fält river bort elektronerna från atomkärnorna. I bråkdelar av en sekund, ett plasma skapas. Elektronerna kopplar ihop med laserljuset i processen, och når nästan ljusets hastighet. När man flyger ut ur materialprovet, de drar atomkärnorna (jonerna) bakom sig. För att experimentellt undersöka denna komplexa accelerationsprocess, forskare från det tyska forskningscentret Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har utvecklat en ny typ av diagnostik för innovativa laserbaserade partikelacceleratorer. Deras resultat publiceras nu i tidskriften Fysisk granskning X .

"Vårt mål är en ultrakompakt accelerator för jonterapi, d.v.s. cancerbestrålning med laddade partiklar, " säger fysiker Dr. Thomas Kluge från HZDR. Förutom kliniker, den nya acceleratortekniken skulle också kunna gynna universitet och forskningsinstitutioner. Dock, mycket forskning och utveckling krävs innan tekniken är klar att användas. DRACO-lasern vid Helmholtz Center i Dresden uppnår för närvarande energier på cirka 50 megaelektronvolt. Dock, 200 till 250 megaelektronvolt krävs för att bestråla en tumör med protoner.

Tack vare sina ultrakorta pulser inom intervallet några femtosekunder – en tid under vilken en ljusstråle färdas en sträcka av en bråkdel av ett människohår – uppnår DRACO-lasern en effekt på nästan en petawatt. Detta motsvarar 100 gånger den genomsnittliga elkraft som genereras i världen.

"Vi måste förstå de individuella processerna som är involverade i att accelerera elektroner och joner mycket bättre, säger Kluge. Tillsammans med kollegor från Dresden, Hamburg, Jena, Siegen och USA, HZDR-forskarna har observerat dessa extremt snabba processer praktiskt taget i realtid vid SLAC National Accelerator Laboratory vid Stanford University i USA.

För att uppnå denna bedrift, forskarna använde två speciallasrar samtidigt:högintensivlasern på SLAC har en effekt på cirka 40 terawatt – det vill säga, cirka 25 gånger svagare än DRACO. När man träffar materialprovet (målet), det tänder plasman. Den andra lasern är en röntgenlaser, som används för att registrera de enskilda processerna, från joniseringen av partiklarna i målet och expansionen av plasman, till de plasmaoscillationer och instabiliteter som uppstår när elektronerna värms upp till flera miljoner grader Celsius, och den effektiva accelerationen av elektronerna och jonerna.

"Med hjälp av småvinklar spridningsmetoden, vi har gjort mätningar i femtosekundsområdet och på skalor som sträcker sig från några få nanometer till flera hundra nanometer, " säger HZDR doktorand Melanie Rödel, som spelade en ledande roll i experimentet. Flera års arbete var nödvändigt för att komma åt dessa områden och få rena signaler på spridningsbilderna av röntgenlasern.

"Den nya diagnostiken för laserbaserade acceleratorer har utmärkt bekräftat våra förväntningar på dess rumsliga och tidsmässiga upplösning. Vi har därmed banat väg för direkt observation av plasmafysikaliska processer i realtid, " säger Dr Josefine Metzkes-Ng, chef för en av de deltagande juniorforskargrupperna vid HZDR:s Institute of Radiation Physics.

Med start 2019, Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), som HZDR för närvarande sätter upp som en del av ett internationellt samarbete vid världens starkaste röntgenlaser, Europeiska XFEL nära Hamburg i Tyskland, kommer att tillhandahålla nästa generations experimentupplägg med en betydligt kraftfullare kortpulslaser.

Hög elektrondensitet tack vare fingerstruktur

För fysikerna som är involverade i experimenten, en specifik detalj från deras beräkningar gjorda för en viss ögonöppnare. "Våra mål är speciellt utvecklade vid HZDR Ion Beam Center för att ha en sorts liten fingerstruktur på sin yta. Laserstrålen sprids på denna struktur, vilket resulterar i att ett särskilt stort antal elektroner från hörnen accelereras och korsar varandra, " förklarar Thomas Kluge.

Det faktum att denna detalj som förutspåddes av beräkningarna observerades i experimentet, som bara varar 10 femtosekunder, innebär att forskare kunde observera ytterligare spontana mönsterbildningar (instabiliteter). Dessa kan orsakas, till exempel, genom oscillationen av elektronerna i laserns elektromagnetiska fält.

Forskarna är intresserade av att identifiera instabiliteter som stör accelerationen av elektroner och joner - i syfte att undvika dem genom att välja lämpliga mål, till exempel. "Dock, vi vet också från våra simuleringar att instabilitet till och med kan öka effektiviteten i accelerationsprocessen, " förklarar fysikern. "I våra simuleringar, vi har identifierat Raleigh-Taylors instabilitet, Detta gör att den optiska lasern överför mer energi till plasman den genererar. Sådana "positiva" instabiliteter kan därför vara viktiga för att optimera processen för jonacceleration som förmedlas av elektronerna.

Laserforskarna förväntar sig att den nya HIBEF-anläggningen ska ge många fler insikter om plasmaacceleration. Detta "extrema laboratorium" av HZDR kommer att förse instrumentet High Energy Density Science (HED) vid Europeiska XFEL med högeffektlasrar. "Röntgenpulsen från den europeiska XFEL, med vilken vi kommer att mäta processerna i plasman, är mycket kort. Vi planerar också att använda ytterligare diagnostiska verktyg så att vi optimalt kan studera plasmaoscillationerna, till exempel, se ytterligare instabiliteter i experimentet, och även generera dem på ett målinriktat sätt, säger Thomas Kluge. På så sätt, HZDR-forskarna siktar på att gradvis komma närmare sitt mål att utveckla en ultrakompakt laseraccelerator för protonterapi av cancer.

Forskarna har tagit ett avgörande steg mot användningen av nästa generations laserbaserade partikelacceleratorer. Med hjälp av den kraftfulla röntgenfrielektronlasern vid SLAC i Kalifornien, de kunde undersöka plasmaprocesserna för första gången på små skalor av några nanometer och femtosekunder på vilka den turbulenta laserinteraktionen med partiklarna som ska accelereras äger rum. I framtiden, processerna kunde därmed optimeras och de kompakta laserbaserade partikelacceleratorerna skulle kunna användas, till exempel, för tumörbestrålning med protoner.