Учёные из Национальной ускорительной лаборатории SLAC разработали новый метод генерации быстрых и ярких протонных пучков с помощью лазерно-плазменного ускорителя высокой частоты. Впервые удалось решить ключевые проблемы этой технологии, что открывает возможности для её реального применения. Успех эксперимента стал возможен благодаря тонкой струе воды, заменившей традиционные твёрдые мишени.
Обычные ускорители частиц, такие как синхротроны, используют электромагниты для разгона и фокусировки пучков, но их массивные размеры ограничивают использование в промышленности и медицине. Лазерно-плазменные ускорители (LPA) являются компактной альтернативой, однако их эффективность снижалась из-за необходимости менять мишени после каждого импульса и сильного рассеивания протонных пучков.
Исследователи из SLAC предложили использовать самовосстанавливающуюся водяную плёнку, которая мгновенно обновляется после каждого выстрела. Эксперимент, проведённый в Центральной лазерной лаборатории STFC Rutherford Appleton Laboratory в Великобритании, подтвердил работоспособность этого метода: лазерный импульс, попадая в водяную мишень, создавал протонный пучок.
Однако произошло нечто неожиданное. Испарившаяся вода сформировала облако пара, которое взаимодействовало с протонным пучком, создавая магнитные поля. Эти поля естественным образом фокусировали частицы, уменьшая рассеяние пучка в 10 раз по сравнению с экспериментами с твёрдыми мишенями. Также эффективность процесса увеличилась в 100 раз, а стабильность позволила проводить 5 импульсов в секунду в течение сотен лазерных выстрелов.
“Этот эффект был совершенно неожиданным”, – отметил аспирант Стэнфордского университета Гриффин Гленн, принимавший участие в разработке водяной мишени и анализе данных. Команда использовала экспериментальные данные для моделирования явления и выявления ключевых факторов, влияющих на эффект.
Протонный пучок, созданный таким способом, стабильно выдавал дозу радиации в 40 Грей за один импульс – это стандарт в протонной терапии, применяемой для лечения онкологических заболеваний. До сих пор LPA не могли достигать таких параметров при высокой частоте повторения импульсов. Более того, эти результаты были достигнуты с помощью доступной низкоэнергетической лазерной системы, что делает технологию ближе к практическому использованию.
По словам профессора Зигфрида Гленцера, руководителя отдела высокоэнергетической плотности в SLAC, этот успех меняет подход к исследованиям в области лазерно-плазменных ускорителей. Теперь физики могут не только полагаться на симуляции, но и экспериментально изучать влияние различных параметров, таких как интенсивность лазера, плотность мишени и условия окружающей среды.