Progres uimitor în accelerarea de plasmă! Reușita cercetătorilor din Germania

Centrul Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR; din Germania) a realizat un progres semnificativ în accelerarea plasmei cu laser.

Prin utilizarea unei metode inovatoare, echipa de cercetători a reușit să depășească considerabil recordul anterior de accelerare a protonilor. Pentru prima dată, au atins energii care până acum păreau posibile doar în instalații mult mai mari. După cum a raportat grupul de cercetare în jurnalul Nature Physics, aplicațiile promițătoare în medicină și știința materialelor sunt acum mult mai probabile.

Accelerarea plasmei cu laser deschide perspective interesante: comparativ cu acceleratoarele convenționale, promite instalații mai compacte și mai eficiente din punct de vedere energetic, deoarece în loc de unde radio puternice pentru a pune particulele în mișcare, noua tehnologie folosește lasere pentru a le accelera.

De ce sunt importante progresele în accelerarea plasmei?

Principiul este că impulsuri laser extrem de scurte, dar de mare intensitate, sunt lansate pe foi subțiri. Lumina încălzește materialul atât de mult încât din acesta ies nenumărați electroni, în timp ce nucleele atomice rămân pe loc. Cum electronii sunt încărcați negativ, iar nucleele atomice sunt pozitive, între ele se formează un câmp electric puternic pentru o scurtă perioadă de timp. Acest câmp poate catapulta un puls de protoni pe doar câțiva micrometri la energii care ar necesita distanțe substanțial mai mari folosind tehnologia convențională de accelerare, scrie Eurek Alert.

Această tehnologie, însă, este încă în stadiul de cercetare: până acum, a fost posibil să se obțină energii ale protonilor de până la 100 MeV și doar folosind sisteme laser extrem de mari, existând doar câteva astfel de sisteme în lume. Pentru a atinge energii similare de accelerare cu instalații laser mai mici și impulsuri mai scurte, echipa de fizicieni de la HZDR, Karl Zeil și Tim Ziegler, a folosit o nouă abordare.

Ei au valorificat o proprietate a impulsurilor laser care este în general văzută drept un defect: „energia unui impuls nu intră imediat în acțiune, ceea ce ar fi cazul ideal. În schimb, puțin din energia laserului se deplasează înaintea acestuia, ca un fel de avangardă” raportează Ziegler.

Energii mai mari

În noul concept, această lumină care se deplasează înainte joacă un rol esențial. Când atinge o folie de plastic special fabricată într-o cameră cu vid, o poate schimba într-un mod specific: „folia se extinde sub influența luminii și devine din ce în ce mai fierbinte și mai subțire. Folia efectiv se topește în timpul procesului de încălzire”, explică Ziegler.

Acest lucru are un impact pozitiv asupra impulsului principal care urmează imediat: folia, care altfel ar reflecta în mare parte lumina, devine brusc transparentă, permițându-i impulsului principal să pătrundă mai profund în material decât în experimentele anterioare.

„Rezultatul este că în material se declanșează o cascadă complexă de mecanisme de accelerare”, făcând ca protonii conținuți în folie să fie accelerați mult mai mult decât de laserul nostru DRACO”; spune Ziegler.

În numere: în timp ce instalația anterior atingea energii ale protonilor de aproximativ 80 MeV, acum poate genera 150 MeV, adică aproape dublu. Pentru a atinge acest record, echipa a trebuit să efectueze o serie de experimente pentru a se apropia de parametrii de interacțiune perfecți, de exemplu în ceea ce privește grosimea optimă a foliilor utilizate. Analizând datele de măsurare, grupul de cercetare a descoperit că fasciculul de particule accelerat avea o altă proprietate plăcută: protonii de energie înaltă prezintă o distribuție îngustă a energiei, ceea ce înseamnă că, figurativ vorbind, toți sunt cam la fel de rapizi, o caracteristică avantajoasă pentru aplicațiile ulterioare, pentru care energiile înalte și uniforme ale protonilor sunt extrem de benefice.

La ce folosesc experimentele cu accelerarea plasmei?

Una dintre aceste aplicații este investigarea unor noi concepte radiobiologice pentru tratamente tumorale precise și blânde. Folosind această metodă, doze foarte mari de radiații sunt aplicate pentru o perioadă foarte scurtă.

Pentru aceste studii, până acum, au fost utilizate în principal acceleratoare convenționale de terapie de mari dimensiuni, care sunt disponibile doar la câteva centre din Germania și care, desigur, au prioritate pentru tratamentul pacienților.

Noul procedeu HZDR face acum mai probabilă utilizarea sistemelor laser compacte, permițându-le grupurilor suplimentare de cercetare să aibă acces la aceste investigații și să faciliteze scenarii de radiație pe care sistemele convenționale nu le pot oferi.

„Mai mult, unitățile de astăzi necesită multă energie. Bazându-se pe accelerarea plasmei cu laser, ar putea fi mult mai economice”, spune Ziegler.

Procedeul ar putea fi folosit și pentru generarea eficientă de neutroni. Impulsurile laser pot fi utilizate pentru a produce impulsuri scurte și intense de neutroni, care sunt de interes pentru utilizarea în știință și tehnologie, precum și pentru analiza materialelor.

Și aici, acceleratoarele de plasmă promit să extindă semnificativ domeniile de aplicare anterioare. Dar, înainte de toate, oamenii de știință doresc să perfecționeze noua metodă și să o înțeleagă mai bine. Printre altele, ei doresc să colaboreze cu alte laboratoare pentru a controla procesul mai precis și pentru a face tehnologia mai disponibilă. Și noi recorduri sunt, de asemenea, pe agendă: energii de peste 200 MeV par pe deplin posibile.

Vă recomandăm să citiți și:

Materialul care elimină 96% dintre particulele de virus cu care intră în contact

Un dispozitiv montat direct în sutien ar putea detecta cancerul de sân

Un nou record mondial pentru „Soarele Artificial” al Coreei de Sud!

Cel mai puternic laser din lume se află în România și atinge „un nivel excepțional de performanță”