Forskere har udviklet en metode til generering af hurtige, lyse protonbjælker ved hjælp af en laser-plasmascelerator med høj gentagelse. Dette arbejde, der er offentliggjort i Naturkommunikationløser flere mangeårige udfordringer og indleder denne teknologi til tærsklen for applikationer i den virkelige verden-alt sammen takket være en vandstrøm.
“Disse spændende resultater baner vejen for nye anvendelser af relativistiske højeffektlasere til applikationer inden for medicin, acceleratorforskning og inertial fusion,” sagde Siegfried Glenzer, professor i fotonvidenskab og direktør for Divisionen for høj energitæthed ved afdeling af Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory.
Behovet for nye typer protonbjælker
Protonstråler er højhastighedstrømme af ladede partikler, der er kendt for deres evne til at skade eller ændre de materialer, de interagerer med. De deponerer deres energi på bestemte steder og giver præcision, der ikke er mulig med andre kilder, såsom røntgenstråler. Denne egenskab gør dem værdifulde til forskellige anvendelser fra behandling af tumorer til ætsning af små funktioner på mikrochips og halvledere. Men at generere disse ultrahastiske, energiske bjælker er udfordrende.
Konventionelle partikelacceleratorer, såsom synkrotroner, er afhængige af en række elektromagneter for at fremskynde, styre og fokusere partikelstråler. Selvom disse acceleratorer har drevet utallige opdagelser inden for grundlæggende videnskab, begrænser deres størrelse deres evne til at blive implementeret i industrielle og kliniske anvendelser.
For eksempel bruger nogle avancerede medicinske centre protonbjælker til at målrette kræftvæv og skade tumorer, mens de sparsomme sunde celler. Udvikling af mindre, mere overkommelige protonstrålekilder kunne udvide udvalget af medicinske behandlinger, der tilbydes af sådanne centre og åbne helt nye felter til denne teknologi.
Løftet om laser-plasma-acceleration
Indtast laser-plasmaacceleratorer (LPA’er). LPA’er bruger lasere med høj intensitet til at slå et mål, hvilket genererer ladede partikelstråler, der når sammenlignelige hastigheder til dem, der er produceret ved hjælp af traditionelle acceleratorer-men i en brøkdel af afstanden. Forskere undersøger LPA’er som en kompakt, omkostningseffektiv måde at generere protonstråler på, men flere tekniske udfordringer har hindret deres fremskridt.
En udfordring opstår fra laser med høj intensitet, der ødelægger målene efter hver puls, hvilket kræver et nyt mål for hvert skud. Et andet problem er stråleafvigelsen – protonbjælker produceret af LPA’er spredt typisk som en lyskast i stedet for at opretholde et snævert fokus. Både behovet for måludskiftning og bjælkeafvensningen reducerer effektiviteten af LPA -systemer markant.
Tilsæt bare vand
I denne nylige undersøgelse foretog forskere et uventet gennembrud og løste samtidig flere problemer, selvom de kun havde til formål at tackle en.
Arbejder på STFC Rutherford Appleton Laboratory’s Central Laser Facility, testede teamet et nyt mål, udviklet af forskere ved SLAC, for at tackle ineffektiviteten af at udskifte mål efter hver laserpuls. I stedet for at bruge et traditionelt solidt mål, introducerede de et tyndt ark vand-en selvregenererende strøm, der genopfylder efter hvert skud. Da laseren ramte vandet, genererede den en protonstråle som forventet.
Men så skete der noget overraskende. Det fordampede vand dannede en dampsky omkring målet, som interagerede med protonstrålen for at skabe magnetiske felter. Disse felter fokuserede naturligvis strålen, hvilket resulterede i en lysere, mere tæt på linje med protonstråden.
Sammenlignet med lignende eksperimenter med faste mål reducerede vandpladen protonstrålens divergens med en størrelsesorden og øgede strålens effektivitet med en faktor på 100. Protonstrålen udviste bemærkelsesværdig stabilitet, der konsekvent fungerer med fem impulser pr. Sekund over hundreder af laser skud.
“Denne effekt var helt uventet,” sagde Griffin Glenn, en Stanford University Ph.D. Studerende involveret i at designe vandplademålet og udføre dataanalyse og den anden forfatter på papiret. Mængden af variabler i dette eksperiment – inklusive de detaljerede egenskaber ved laser, vandplade og vakuummiljøet – gjorde sådanne forudsigelser umulige.
Efter at have observeret fænomenet brugte teamet imidlertid eksperimentelle data til at modellere og få en dybere forståelse af de underliggende kræfter, der driver effekten. Holdets fund antyder, at denne tilgang kunne skaleres til systemer med højere energi, hvilket muliggør endnu lysere og mere energiske protonstråler.
“Dette arbejde har flyttet hele paradigmet,” sagde Glenzer. “Endelig er vi ikke længere helt afhængige af simuleringer. Vi kan nu drive fysik fra et eksperimentelt synspunkt og teste forskellige laserintensiteter, måltætheder og miljøpres. Hele fysikregimet er foran os.”
Bemærkelsesværdigt leverede protonstråden konsekvent ækvivalenten med 40 grå med hvert skud, en standardstråledosering, der blev brugt i protonbehandlinger, der aldrig før blev opnået med LPA’er, der opererer i denne gentagelseshastighed. Desuden blev resultaterne opnået ved hjælp af et let tilgængeligt lavenergilasersystem, hvilket markerede et stort fremskridt mod at forberede LPA’er til praktiske anvendelser inden for medicin og industri.