In samenwerking met hun collega's uit Duitsland en Tsjechië, onderzoekers van het Institute for Laser and Plasma Technologies van de National Research Nuclear University MEPhI (Rusland) hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het genereren van supersterke quasistatische elektrische velden die resulteren in de versnelling van ionen in laserplasma.

Dit onderzoek is van groot belang in de geneeskunde, in het bijzonder voor protonenbundeltherapie, een moderne kankerbehandeling. De krant is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Er zijn drie belangrijke methoden om kanker te behandelen:chirurgische ingreep, chemotherapie en bestraling (radiotherapie). Radiotherapie is gebaseerd op het toepassen van ioniserende straling, wat schadelijk is voor zowel de tumor als het gezonde weefsel eromheen. Dit legt bepaalde beperkingen op aan de kracht van gammastralen, die worden gebruikt bij radiotherapie.

Daarom is het veel beter om protonen te gebruiken. Door de relatief grote massa van protonen, de straal blijft gefocust, waardoor wetenschappers tumoren nauwkeurig kunnen targeten zonder het gezonde weefsel eromheen te beschadigen.

Echter, het genereren van een protonenbundel vereist een deeltjesversneller, dat is een zeer duur apparaat met een gewicht van vele tonnen. Bijvoorbeeld, de synchrocyclotron-versneller die wordt gebruikt in het therapeutisch centrum in Orsay, Frankrijk, weegt in totaal 900 ton. Daarom werken veel werelduniversiteiten momenteel aan de ontwikkeling van alternatieve methoden om bundels ultrasnel geladen deeltjes te genereren. Een daarvan is gebaseerd op laserstraalversnellers.

Laserstraalversnellers zijn aanzienlijk goedkoper en compacter dan conventionele cyclotrons en synchrotrons, maar de kwaliteit van de met hun hulp verkregen bundels is niet voldoende voor de meeste praktische toepassingen vanwege het grote energiebereik van de protonen en het onvoldoende vermogen. Vandaag, onderzoekers concurreren om nieuwe laserversnellingsmethoden te ontwikkelen:het verkrijgen van een protonenbundel met een vermogen van 100-200 MeV en een energiebereik van niet meer dan een paar procent zou een nieuw tijdperk in de lasergeneeskunde inluiden.

Volgens MEPhI-onderzoekers de theorie die ze ontwikkelden kan helpen leiden tot nieuwe laserversnellingsmethoden. "Bij ons onderzoek we voorspelden in theorie en demonstreerden, met behulp van numerieke modellering, een effect dat schijnbaar paradoxaal is:het effect dat de stralingsreactiekracht heeft op de geladen deeltjes, die elektromagnetische golven uitzenden, kunnen bijdragen aan hun versnelling, " zei Jevgeni Gelfer, assistent-professor aan de afdeling theoretische kernfysica van MEPhI en onderzoekswetenschapper aan het Extreme Light Infrastructure Beamlines Institute in Tsjechië.

In gewone mechanische systemen, wrijvingskrachten leiden altijd tot het verlies van kinetische energie en de verzwakking van georganiseerde beweging. De stralingsreactiekracht, echter, anders werkt - het ontstaat als gevolg van energieoverdracht in het externe veld (in dit geval het laserveld). Deze energieoverdracht wordt uitgevoerd door elektronen. Tijdens het proces van het overbrengen van energie van het ene reservoir naar het andere, elektronen kunnen vertragen en versnellen.

"We hebben de voortplanting van supersterke laserimpulsen in plasma bestudeerd, Gelfer zei. "In elektromagnetische velden met een intensiteit van enkele PW en hoger (1 PW is gelijk aan 1015 W; de capaciteit van de grootste elektriciteitscentrale ter wereld is 22, 500 MW, dat is ongeveer 50, 000 keer minder), elektronen zenden zo intensief straling uit dat hun beweging niet alleen wordt bepaald door de Lorentzkracht, maar ook door de stralingsreactiekracht, die ontstaat als gevolg van stralingsterugslag. In feite, de laatste kan zelfs de Lorentzkracht overschrijden. We hebben bewezen dat onze vertraging van elektronen met behulp van stralingswrijving in het vlak loodrecht op de voortplantingsrichting van de laserstraal de snelheid van hun beweging verhoogt, aldus bijdragend aan een effectievere ladingsscheiding in plasma en versterking van het gevormde longitudinale elektrische veld. Dit veld veroorzaakt de versnelling van ionen, daarom kunnen onze bevindingen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe manieren om hoogwaardige ionenbundels te verkrijgen."