Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har gjort ett betydande framsteg inom laserplasmaacceleration. Genom att använda en innovativ metod lyckades en forskargrupp avsevärt överträffa det tidigare rekordet för protonacceleration.
För första gången uppnådde de energier som hittills bara har verkat möjliga vid mycket större anläggningar. Som forskargruppen rapporterar i tidskriften Nature Physics , lovande tillämpningar inom medicin och materialvetenskap har nu blivit mycket mer troliga.
Laserplasmaacceleration öppnar för intressanta perspektiv:jämfört med konventionella acceleratorer har den löftet om mer kompakta, mer energieffektiva anläggningar – för istället för att använda kraftfulla radiovågor för att få partiklar i rörelse, använder den nya tekniken lasrar för att accelerera dem.
Principen är att extremt korta men högintensiva laserpulser avfyras på wafer-tunna folier. Ljuset värmer upp materialet till en sådan grad att otaliga elektroner kommer ut ur det medan atomkärnorna förblir på plats.
Eftersom elektronerna är negativt laddade och atomkärnorna är positiva, bildas ett starkt elektriskt fält mellan dem under en kort tid. Detta fält kan katapultera en protonpuls över bara några mikrometer till energier som skulle kräva betydligt längre avstånd med hjälp av konventionell acceleratorteknik.
Denna teknik är dock fortfarande på forskningsstadiet:hittills har det bara varit möjligt att uppnå protonenergier på upp till 100 MeV och endast genom att använda extremt stora lasersystem som det bara finns ett fåtal av i världen.
För att uppnå liknande höga acceleratorenergier med mindre laseranläggningar och kortare pulser, följde teamet av HZDR-fysikerna Karl Zeil och Tim Ziegler ett nytt tillvägagångssätt. De utnyttjar en egenskap hos laserblixtar som vanligtvis ses som ett fel. "En pulss energi slår inte in omedelbart, vilket skulle vara det ideala fallet", rapporterar Ziegler. "Istället rusar lite av laserenergin framför sig, som ett slags avantgarde."
I det nya konceptet är det ljuset som rusar fram som spelar en nyckelroll. När den träffar en specialtillverkad plastfolie i en vakuumkammare kan den ändra den på ett specifikt sätt. "Foliet expanderar på grund av ljusets inverkan och blir allt varmare och tunnare", förklarar Ziegler. "Folien smälter effektivt under uppvärmningsprocessen."
Detta har en positiv inverkan på den primära pulsen som följer omedelbart:Folien, som annars till stor del skulle reflektera ljuset, blir plötsligt genomskinlig vilket gör att primärpulsen kan tränga djupare in i materialet som den gjorde i tidigare experiment.
"Resultatet är att en komplex kaskad av accelerationsmekanismer utlöses i materialet", säger Ziegler, "som gör att protonerna i filmen accelereras mycket mer än de gjorde av vår DRACO-laser."
Medan anläggningen tidigare uppnådde protonenergier på cirka 80 MeV, kan den nu generera 150 MeV - nästan det dubbla. För att uppnå detta rekord var teamet tvunget att genomföra en serie experiment för att närma sig de perfekta interaktionsparametrarna, till exempel vad gäller den optimala tjockleken på filmerna som används.
När forskargruppen analyserade mätdata upptäckte forskargruppen att den accelererade partikelstrålen hade en annan tilltalande egenskap:högenergiprotonerna uppvisar en snäv energifördelning, vilket betyder att de bildligt talat alla är ungefär lika snabba - en fördelaktig egenskap för senare tillämpningar —för vilka höga, enhetliga protonenergier är extremt fördelaktiga.
En av dessa tillämpningar är att undersöka nya radiobiologiska koncept för exakt, skonsam tumörbehandling. Med denna metod appliceras mycket höga stråldoser under en mycket kort period. För dessa studier har hittills huvudsakligen använts storskaliga konventionella terapiacceleratorer som endast finns tillgängliga på ett fåtal centra i Tyskland och som naturligtvis är prioriterade för patientbehandling.
Den nya HZDR-proceduren gör nu användningen av kompakta lasersystem mer sannolikt, vilket gör det möjligt för ytterligare forskargrupper att få tillgång till dessa undersökningar och underlätta strålningsscenarier som konventionella system inte kan leverera. "Dessutom behöver dagens anläggningar mycket kraft", säger Ziegler. "Baserat på laserplasmaacceleration kan de vara mycket mer ekonomiska."
Förfarandet skulle också kunna användas för effektiv generering av neutroner. Laserblixtarna kan användas för att producera korta, intensiva neutronpulser, som är av intresse för användning inom vetenskap och teknik såväl som för materialanalys.
Även här lovar plasmaacceleratorer att avsevärt utöka de tidigare användningsområdena. Men först och främst vill forskarna förfina den nya metoden och förstå den bättre. Man vill bland annat samarbeta med andra laboratorier för att styra processen mer exakt och göra tekniken mer tillgänglig. Och ytterligare rekord står också på agendan:energier på mer än 200 MeV verkar fullt möjliga.
Mer information: Tim Ziegler et al, Laserdrivna högenergiprotonstrålar från kaskadaccelerationsregimer, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02505-0
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
