Неидеальность лазерного импульса помогла разогнать ионы

Физики обнаружили и объяснили принцип ускорения ионов за счет давления света с уменьшением энергетических потерь на разгон протонов. Оказалось, что для этого требуется неидеальная форма лазерного импульса и оптимальная толщина мишени. Исследованный эффект поможет упростить оборудование для ионной лучевой терапии. Работа опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней пишет Physics.

Ионные пучки играют важную роль в экспериментальной и прикладной физике. Область их применения достаточно широка и простирается от микроскопии поверхности до борьбы с раком. В последнем случае ионы могут стать единственным способом борьбы с раковыми клетками, которые устойчивы к традиционной лучевой терапии.

Довольно часто медицинские центры, которые предоставляют такой тип терапии, расположены в непосредственной близости от ионных ускорителей. Однако есть и другая технология создания ионных пучков, основанная на их лазерном ускорении за счет давления света. Она основана на испарении мишени мощным лазерным импульсом и последующим разгоном образующихся в плазме ионов. Одной из проблем при этом становится загрязнение пучка частиц протонами, которые охотнее разгоняются лазером из-за меньшей массы, уменьшая тем самым эффективность метода.

Аодхан МакИлвенни (Aodhan McIlvenny) из Университета Квинс в Белфасте с коллегами из Великобритании, Италии, Румынии и Франции сообщил об экспериментальной проверке гипотезы о том, что при облучении тонкой фольги мощным лазерным импульсом существует некоторая оптимальная толщина, для которой энергия разгона ионов значительно превышает энергию протонов. Для этого они использовали лазер GEMINI, расположенный в Лаборатории Резерфорда-Эплтона. Его импульсы с круговой поляризацией длительностью 40 фемтосекунд и длиной волны 800 нанометров фокусировались в пятно диаметром три микрона на аморфные углеродные мишени различных толщин в диапазоне от 2 до 100 нанометров. Достигаемая при этом энергия импульса составляла шесть джоулей при пиковой интенсивности равной 5,5×1020 ватт на квадратный сантиметр. Разогнанные частицы попадали на три масс-спектрометра, расположенных под различными углами.

В результате варьирования толщин мишени физики обнаружили, что количество энергии на один нуклон для протонов было больше, чем для ионов углерода всюду, кроме случая, когда толщина равнялась 15 нанометрам. При этом для линейной поляризации описанный эффект не наблюдался. Изучив зависимость энергий обоих типов частиц от интенсивности лазера при оптимальной толщине, авторы обнаружили, что для ионов углерода рост имеет линейный характер, в то время как для протонов он существенно слабее.

Максимальная энергия на один нуклон, построенная на графике в зависимости от толщины мишени для ионов углерода и протонов. Точками показаны симуляции.

Для объяснения полученных результатов физики провели два типа симуляций с помощью многоразмерного метода частиц в ячейках. В первом случае они рассматривали испарение и разгон для импульсов правильной гауссовой формы. Результат этих симуляций не показал превышения удельной энергии ионов углерода по сравнению с протонами. Также они увидели ее квадратичный рост с увеличением интенсивности лазера.

Во второй раз авторы заложили более реалистичный временной профиль импульсов. Дело в том, что для достижения коротких длительностей импульсы проходят через процедуру сжатия, которая в силу своей неидеальности оставляет в его форме небольшой пьедестал, который летит немного спереди пика. Оказалось, что при оптимальной толщине этот пьедестал ответственен за наблюдавшееся распределение энергий. В частности, его приход вызывает лишь ионизацию и расширение образовавшейся плазмы, однако поскольку его энергии слишком мало, расширению и вытеснению подвергаются в основном протоны. Оставшаяся часть, которая состоит преимущественно из ионов, принимает на себя энергию пика импульса, разгоняясь быстрее, чем обычно. Особенности этого многоступенчатого процесса объясняют также и то, почему рост энергии с ростом интенсивности отклоняется от квадратичного закона в сторону линейного.

Проведя дополнительные симуляции, авторы обнаружили, что рассматриваемый ими эффект в теории может быть получен и с помощью идеальных импульсов, если роль пьедестала будет играть дополнительный слабый предымпульс. Авторы предполагают, что детали исследованного ими эффекта могут быть чувствительны к изменениям формы всего импульса на масштабах пикосекунд.

Лазерному ускорению подвержены не только ионы или протоны, но и электроны. Мы уже рассказывали, как физики разогнали лазером электроны до рекордных восьми гигаэлектронвольт, и как в этом могут помочь волноводы с диэлектрическим покрытием стенок.

Марат Хамадеев

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 04.11.2021 в 22:45

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии