Wanneer lichtpulsen van een extreem krachtig lasersysteem op materiaalmonsters worden afgevuurd, het elektrische veld van het licht scheurt de elektronen van de atoomkernen. Voor fracties van een seconde, er ontstaat een plasma. De elektronen koppelen daarbij met het laserlicht, daardoor bijna de lichtsnelheid bereikend. Bij het uitvliegen van het materiaalmonster, ze trekken de atoomkernen (ionen) achter zich aan. Om dit complexe versnellingsproces experimenteel te onderzoeken, onderzoekers van het Duitse onderzoekscentrum Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben een nieuw type diagnostiek ontwikkeld voor innovatieve lasergebaseerde deeltjesversnellers. Hun resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

"Ons doel is een ultracompacte versneller voor ionentherapie, d.w.z. kankerbestraling met geladen deeltjes, " zegt natuurkundige dr. Thomas Kluge van de HZDR. Naast klinieken, de nieuwe versnellertechnologie zou ook ten goede kunnen komen aan universiteiten en onderzoeksinstellingen. Echter, er is veel onderzoeks- en ontwikkelingswerk nodig voordat de technologie klaar is voor gebruik. De DRACO-laser in het Helmholtz-centrum in Dresden bereikt momenteel energieën van ongeveer 50 mega-elektronvolt. Echter, Om een ​​tumor te bestralen met protonen is 200 tot 250 megaelektronvolt nodig.

Dankzij de ultrakorte pulsen in het bereik van enkele femtoseconden - een tijd waarin een lichtstraal een afstand van een fractie van een mensenhaar aflegt - bereikt de DRACO-laser een vermogen van bijna één petawatt. Dit komt overeen met 100 keer het gemiddelde elektrische vermogen dat wereldwijd wordt opgewekt.

"We moeten de individuele processen die betrokken zijn bij het versnellen van elektronen en ionen veel beter begrijpen, " zegt Kluge. Samen met collega's uit Dresden, Hamburg, jena, Siegen en de VS, de HZDR-onderzoekers hebben deze extreem snelle processen virtueel in realtime geobserveerd in het SLAC National Accelerator Laboratory van Stanford University in de VS.

Om deze prestatie te bereiken, de wetenschappers gebruikten tegelijkertijd twee speciale lasers:de laser met hoge intensiteit bij SLAC heeft een vermogen van ongeveer 40 terawatt, dat wil zeggen, ongeveer 25 keer zwakker dan DRACO. Bij het raken van het materiaalmonster (doel), het ontsteekt het plasma. De tweede laser is een röntgenlaser, die wordt gebruikt om de afzonderlijke processen vast te leggen, van de ionisatie van de deeltjes in het doelwit en de expansie van het plasma, tot de plasma-oscillaties en instabiliteiten die optreden wanneer de elektronen worden verwarmd tot enkele miljoenen graden Celsius, en de efficiënte versnelling van de elektronen en ionen.

"Met behulp van de kleine-hoekverstrooiingsmethode, we hebben metingen gerealiseerd in het femtoseconde bereik en op schalen van enkele nanometers tot enkele honderden nanometers, " zegt HZDR-promovendus Melanie Rödel, die een leidende rol speelden in het experiment. Er waren verscheidene jaren werk nodig om toegang te krijgen tot deze gebieden en om zuivere signalen te verkrijgen op de verstrooiingsbeelden van de röntgenlaser.

"De nieuwe diagnostiek voor op laser gebaseerde versnellers heeft onze verwachtingen met betrekking tot de ruimtelijke en temporele resolutie uitstekend bevestigd. We hebben zo de weg vrijgemaakt voor de directe observatie van plasma-fysische processen in realtime, " zegt Dr. Josefine Metzkes-Ng, hoofd van een van de deelnemende junior onderzoeksgroepen aan het Instituut voor Stralingsfysica van de HZDR.

Vanaf 2019, de Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), die de HZDR momenteel opzet als onderdeel van een internationale samenwerking bij 's werelds sterkste röntgenlaser, de Europese XFEL nabij Hamburg in Duitsland, zal een experimentele opstelling van de volgende generatie bieden met een aanzienlijk krachtigere korte-pulslaser.

Hoge elektronendichtheid dankzij vingerstructuur

Voor de fysici die bij de experimenten betrokken waren, een specifiek detail uit hun berekeningen gemaakt voor een bepaalde eye-opener. "Onze doelen zijn speciaal ontwikkeld in het HZDR Ion Beam Center om een ​​soort kleine vingerstructuur op hun oppervlak te hebben. De laserstraal verstrooit op deze structuur, waardoor een bijzonder groot aantal elektronen uit de hoeken worden versneld en elkaar kruisen, " legt Thomas Kluge uit.

Het feit dat dit detail voorspeld door de berekeningen werd waargenomen in het experiment, die slechts 10 femtoseconden duurt, betekent dat wetenschappers verdere spontane patroonformaties (instabiliteiten) konden waarnemen. Deze kunnen worden veroorzaakt, bijvoorbeeld, door de oscillatie van de elektronen in het elektromagnetische veld van de laser.

De onderzoekers zijn geïnteresseerd in het identificeren van instabiliteiten die de versnelling van de elektronen en ionen verstoren - met als doel deze te vermijden door geschikte doelen te selecteren, bijvoorbeeld. "Echter, we weten ook uit onze simulaties dat instabiliteiten zelfs de efficiëntie van het acceleratieproces kunnen verhogen, " legt de natuurkundige uit. "In onze simulaties, we hebben de Raleigh-Taylor-instabiliteit geïdentificeerd, Dit zorgt ervoor dat de optische laser meer energie overdraagt ​​aan het plasma dat het genereert. Dergelijke 'positieve' instabiliteiten kunnen dus belangrijk zijn voor het optimaliseren van het proces van ionenversnelling dat wordt gemedieerd door de elektronen.

De laserwetenschappers verwachten dat de nieuwe HIBEF-faciliteit veel meer inzicht zal geven in plasmaversnelling. Dit 'extreme laboratorium' van de HZDR gaat het High Energy Density Science (HED) instrument op het Europese XFEL voorzien van high-power lasers. "De röntgenpuls van de Europese XFEL, waarmee we de processen in het plasma gaan meten, is erg kort. We zijn ook van plan om aanvullende diagnostische hulpmiddelen te gebruiken, zodat we de plasma-oscillaties optimaal kunnen bestuderen, bijvoorbeeld, zie verdere instabiliteiten in het experiment, en ze ook gericht genereren, " zegt Thomas Kluge. Op deze manier, de HZDR-onderzoekers willen geleidelijk dichter bij hun doel komen om een ​​ultracompacte laserversneller te ontwikkelen voor de protontherapie van kanker.

De wetenschappers hebben een beslissende stap gezet in de richting van het gebruik van op laser gebaseerde deeltjesversnellers van de volgende generatie. Met behulp van de krachtige röntgenvrije-elektronenlaser bij SLAC in Californië, ze konden voor het eerst de plasmaprocessen onderzoeken op de kleine schaal van enkele nanometers en femtoseconden waarop de turbulente laserinteractie met de te versnellen deeltjes plaatsvindt. In de toekomst, de processen kunnen zo worden geoptimaliseerd en de compacte lasergebaseerde deeltjesversnellers kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, voor tumorbestraling met protonen.