Wetenschap
Kleinere laserfaciliteit gebruikt nieuwe methode om eerder record voor protonversnelling te overtreffen
Het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) heeft een aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van laserplasmaversnelling. Door gebruik te maken van een innovatieve methode is een onderzoeksteam erin geslaagd het vorige record voor protonversnelling substantieel te overtreffen.
Voor het eerst bereikten ze energieën die tot nu toe alleen mogelijk leken bij veel grotere faciliteiten. Dat meldt de onderzoeksgroep in het tijdschrift Nature Physics , zijn veelbelovende toepassingen in de geneeskunde en de materiaalkunde nu veel waarschijnlijker geworden.
Laserplasmaversnelling opent interessante perspectieven:vergeleken met conventionele versnellers houdt het de belofte in van compactere, energiezuinigere faciliteiten – want in plaats van krachtige radiogolven te gebruiken om deeltjes in beweging te krijgen, gebruikt de nieuwe technologie lasers om ze te versnellen. P>
Het principe is dat extreem korte maar krachtige laserpulsen op flinterdunne folies schieten. Het licht verwarmt het materiaal zodanig dat er talloze elektronen uit komen terwijl de atoomkernen op hun plaats blijven.
Omdat de elektronen negatief geladen zijn en de atoomkernen positief, ontstaat er gedurende korte tijd een sterk elektrisch veld tussen de elektronen. Dit veld kan een protonpuls over slechts enkele micrometers katapulteren naar energieën waarvoor aanzienlijk langere afstanden nodig zouden zijn met behulp van conventionele versnellertechnologie.
Deze technologie bevindt zich echter nog in de onderzoeksfase:tot nu toe is het alleen mogelijk geweest om protonenenergieën tot 100 MeV te bereiken en alleen door gebruik te maken van extreem grote lasersystemen, waarvan er maar een paar in de wereld zijn.
P>Om vergelijkbare hoge versneller-energieën te bereiken met kleinere laserfaciliteiten en kortere pulsen, volgde het team van HZDR-natuurkundigen Karl Zeil en Tim Ziegler een nieuwe aanpak. Ze maken gebruik van een eigenschap van laserflitsen die over het algemeen als een fout wordt gezien. "De energie van een puls komt niet onmiddellijk in werking, wat het ideale geval zou zijn", meldt Ziegler. "In plaats daarvan snelt een beetje van de laserenergie er voor uit, als een soort voorhoede."
Plotseling transparant
In het nieuwe concept speelt dit vooruitstormende licht een sleutelrol. Wanneer hij in een vacuümkamer een speciaal vervaardigde kunststoffolie raakt, kan hij deze op een specifieke manier veranderen. “De folie zet uit onder invloed van het licht en wordt steeds heter en dunner”, legt Ziegler uit. "De folie smelt effectief tijdens het verwarmingsproces."
Dit heeft een positieve invloed op de primaire puls die er onmiddellijk op volgt:de folie, die anders het licht grotendeels zou reflecteren, wordt plotseling transparant, waardoor de primaire puls dieper in het materiaal kan doordringen dan bij eerdere experimenten.
"Het resultaat is dat er een complexe cascade van versnellingsmechanismen in het materiaal wordt geactiveerd", zegt Ziegler, "waardoor de protonen in de film veel sneller worden versneld dan door onze DRACO-laser."
Terwijl de faciliteit voorheen protonenenergieën van ongeveer 80 MeV behaalde, kan ze nu 150 MeV genereren – bijna het dubbele. Om dit record te bereiken moest het team een reeks experimenten uitvoeren om de perfecte interactieparameters te benaderen, bijvoorbeeld met betrekking tot de optimale dikte van de gebruikte films.
Bij het analyseren van de meetgegevens ontdekte de onderzoeksgroep dat de versnelde deeltjesbundel nog een andere aangename eigenschap had:de hoogenergetische protonen vertonen een smalle energieverdeling, wat betekent dat ze, figuurlijk gesproken, allemaal ongeveer even snel zijn – een voordeel voor latere toepassingen. —waarvoor hoge, uniforme protonenenergieën buitengewoon gunstig zijn.
Voordeel:energie-efficiëntie
Eén van deze toepassingen is het onderzoeken van nieuwe radiobiologische concepten voor een nauwkeurige, zachte tumorbehandeling. Bij deze methode worden gedurende een zeer korte periode zeer hoge doses straling toegepast. Voor deze onderzoeken zijn tot nu toe voornamelijk grootschalige conventionele therapieversnellers gebruikt, die slechts in een paar centra in Duitsland verkrijgbaar zijn en die uiteraard prioriteit krijgen bij de behandeling van patiënten.
De nieuwe HZDR-procedure maakt het gebruik van compacte lasersystemen nu waarschijnlijker, waardoor extra onderzoeksgroepen toegang krijgen tot deze onderzoeken en stralingsscenario's mogelijk maken die conventionele systemen niet kunnen bieden. "Bovendien hebben de huidige faciliteiten veel stroom nodig", zegt Ziegler. "Op basis van laserplasmaversnelling zouden ze veel zuiniger kunnen zijn."
De procedure zou ook kunnen worden gebruikt voor het efficiënt genereren van neutronen. De laserflitsen kunnen worden gebruikt om korte, intense neutronenpulsen te produceren, die van belang zijn voor gebruik in wetenschap en technologie, maar ook voor materiaalanalyse.
Ook hier beloven plasmaversnellers de eerdere toepassingsgebieden aanzienlijk uit te breiden. Maar eerst willen de wetenschappers de nieuwe methode verfijnen en beter begrijpen. Ze willen onder meer samenwerken met andere laboratoria om het proces nauwkeuriger te controleren en de technologie beter beschikbaar te maken. En er staan ook nog meer records op de agenda:energieën van meer dan 200 MeV lijken heel goed mogelijk.