Bijna 20 jaar geleden, onderzoekers die experimenten uitvoerden met het Nova Petawatt-lasersysteem van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) - 's werelds eerste quadrillion-watt laser - ontdekten dat toen de intense korte-puls laserstralen van het systeem een ​​dun foliedoel raakten, een onverwachte stortvloed van hoogenergetische elektronen en protonen stroomde van de achterkant van het doelwit.

Eerder deze maand, een internationaal team van onderzoekers gebruikte de opvolger van de Nova Petawatt, de petawatt-klasse geavanceerde radiografische capaciteit (ARC) van de National Ignition Facility (NIF), om te beginnen met de ontwikkeling van een experimenteel platform dat belooft Nova's verrassende ontdekking te veranderen in een krachtige nieuwe bron van protonen om de extreme omstandigheden diep in de planeten en de sterren te bestuderen, gerichte tumortherapie verbeteren en de grenzen van de wetenschap met hoge energiedichtheid (HED) verleggen.

In twee NIF Discovery Science-experimenten, de onderzoekers vuurden vier ARC-straaltjes af op een 33 micron dikke titaniumfolie, het opzetten van een sterk elektrostatisch omhulselveld genaamd een Target Normal Sheath Accelerating (TNSA) veld loodrecht op het doel (normaal is een geometrische term voor loodrecht). Toen het veld wegwaaide van de achterkant van het doel, het versnelde hoogenergetische protonen en ionen uit de verontreinigingslaag van protonrijke koolwaterstoffen en water dat het oppervlak van het doelwit bedekt, allemaal snel in dezelfde richting.

"De resultaten waren zo goed als we hadden gehoopt, " zei LLNL-natuurkundige Tammy Ma, hoofdonderzoeker van de campagne. "Het was absoluut een overwinning. ARC is niet zo intens als veel andere kortepulslasers, dus sommigen in de gemeenschap waren bang dat de intensiteit niet voldoende zou zijn om deze stralen te genereren. Maar (het resultaat) waren meer protonen dan we hadden verwacht met energieën die de 20 MeV (miljoen elektronvolt) naderden - absoluut een bron die andere toepassingen en koele fysica mogelijk zal maken."

In de experimenten, twee van NIF's 192 bundellijnen werden gesplitst om de vier ARC-bundeltjes met korte puls te vormen. De bundeltjes werden gelijktijdig afgevuurd gedurende 10 of één picoseconde (biljoenste van een seconde), het genereren van maximaal 200 terawatt (biljoen watt) vermogen per beamlet. Het totaal van ongeveer 700 terawatt in het tweede experiment was het hoogste piekvermogen ooit gegenereerd op NIF.

Het hoge piekvermogen van ARC wordt mogelijk gemaakt door een proces dat chirped-pulse-versterking wordt genoemd, waarin een korte, breedbandpuls gegenereerd door een oscillator wordt in de tijd uitgerekt om de piekintensiteit te verminderen, vervolgens versterkt bij intensiteiten onder de schadedrempel in de laserversterkers, en uiteindelijk gecomprimeerd tot een korte puls en het hoogste piekvermogen in grote compressorvaten.

Het nieuwe Discovery Science-platform, ondersteund door LLNL's Laboratory Directed Research and Development (LDRD) programma, is ontworpen om de fysica van het genereren van deeltjesbundels te bestuderen bij voorheen onontgonnen ultrahoge laserenergieën met korte puls en lange pulsduren. Gekoppeld aan NIF's 1,8 miljoen joule ultraviolette energie, de mogelijkheid zal talloze HED-toepassingen mogelijk maken en de creatie en studie van extreme toestanden van materie mogelijk maken.

NIF is 's werelds enige faciliteit die in staat is om omstandigheden te bereiken zoals die in het binnenste van sterren en reuzenplaneten. Het gebruik van door ARC met korte puls gegenereerde protonenstralen voor ultrasnelle verwarming van materie tot extreme toestanden zal metingen van opaciteit en toestandsvergelijking mogelijk maken bij ongekende energiedichtheidstoestanden.

In aanvulling, "protonen deponeren hun energie heel specifiek, " merkte LLNL-postdoc Derek Mariscal op, leidende experimentator voor het project. "Daarom zijn protonen veelbelovend voor toepassingen zoals tumortherapie. Je kunt een bundel protonen naar een tumor sturen en ervoor zorgen dat deze al zijn energie precies daar neerzet waar je hem wilt hebben zonder andere delen van het lichaam te beschadigen.

"Zo ook bij een vast materiaal, " zei hij. "(De protonenbundel) deponeert zijn energie heel snel waar je het wilt hebben, zodat u een materiaal heel snel kunt opwarmen voordat het hydrodynamisch kan uitzetten - uw materiaal blijft dicht, en dat is de naam van het spel - hoge energie, hoge dichtheid."

Zodra het proton-versnellingsplatform is aangetoond en begrepen, Mariscal zei, de volgende stap in het project zal zijn om de ARC-stralen af ​​te vuren op een gedeutereerde koolstof (CD) folie om een ​​straal deuteronen te genereren. "Je zou die op een tweede folie kunnen laten vallen, zoals lithiumfluoride of beryllium, en dan krijg je een bundel neutronen - een echte, laserachtige neutronenbron, slechts twee bundels NIF gebruiken in plaats van alle 192."