מאיץ פלזמה לייזר קומפקטי שובר שיא אנרגיית פרוטון

מדענים משיגים שיא אנרגיה חדש עבור מאיצי פרוטונים מהדור הבא

ה הלמהולץ-מרכז דרזדן-רוסנדורף (HZDR) עשתה התקדמות משמעותית בלייזר פְּלַסמָה תְאוּצָה. על ידי שימוש בשיטה חדשנית, צוות מחקר הצליח לחרוג משמעותית מהשיא הקודם להאצת פרוטונים. לראשונה, הם השיגו אנרגיות שעד כה נראו אפשריות רק במתקנים גדולים בהרבה. כפי שדיווחה קבוצת המחקר בכתב העת פיזיקת הטבעיישומים מבטיחים ברפואה ובמדעי החומרים הפכו כעת להרבה יותר סבירים.

מאיצים קומפקטיים וחסכוניים באנרגיה

האצת פלזמה בלייזר פותחת נקודות מבט מעניינות. בהשוואה למאיצים רגילים, היא טומנת בחובה הבטחה למתקנים קומפקטיים יותר וחסכוניים יותר באנרגיה – מכיוון שבמקום להשתמש בגלי רדיו חזקים כדי להניע חלקיקים, הטכנולוגיה החדשה משתמשת בלייזרים כדי להאיץ אותם.

העיקרון הוא שפולסי לייזר קצרים במיוחד אך בעוצמה גבוהה יורים על רדידים דקים. האור מחמם את החומר עד כדי כך שיוצאים ממנו אינספור אלקטרונים בעוד הליבות האטומיות נשארות במקומן. מכיוון שהאלקטרונים טעונים שלילי וליבות האטום חיוביות, נוצר ביניהם שדה חשמלי חזק לזמן קצר. שדה זה יכול להטיל דופק פרוטונים על פני כמה מיקרומטרים בלבד לאנרגיות שיצריכו מרחקים ארוכים יותר באופן משמעותי באמצעות טכנולוגיית מאיץ קונבנציונלית.

טכנולוגיה זו, לעומת זאת, עדיין בשלב המחקר: עד כה, ניתן היה להשיג רק אנרגיות פרוטונים של עד 100 MeV ורק באמצעות מערכות לייזר גדולות במיוחד שיש רק כמה מהן בעולם. על מנת להשיג אנרגיות מאיץ גבוהות באופן דומה עם מתקני לייזר קטנים יותר ופולסים קצרים יותר, צוות הפיזיקאים של HZDR קארל זייל וטים זיגלר נקטו בגישה חדשה.

הם רותמים תכונה של הבזקי לייזר הנתפסים בדרך כלל כפגם. "האנרגיה של הדופק לא נכנסת מיד, וזה יהיה המקרה האידיאלי", מדווח זיגלר. "במקום זאת, מעט מאנרגיית הלייזר ממהרת לפניה, כמו סוג של חלוץ".

פתאום שקוף

בקונספט החדש, האור הזה ששועט קדימה הוא זה שממלא תפקיד מפתח. כאשר הוא פוגע בנייר פלסטיק שיוצר במיוחד בתא ואקום, הוא יכול לשנות אותו בצורה ספציפית.

"הרדיד מתרחב בגלל השפעת האור ונעשה חם ודק יותר ויותר", מסביר זיגלר. "רדיד הכסף נמס ביעילות במהלך תהליך החימום."

יש לכך השפעה חיובית על הדופק הראשוני שמגיע מיד: נייר הכסף, שאחרת היה משקף במידה רבה את האור, הופך לפתע שקוף מה שמאפשר לפולס הראשוני לחדור עמוק יותר לתוך החומר מאשר בניסויים קודמים.

"התוצאה היא שמפל מורכב של מנגנוני האצה מופעל בחומר", אומר זיגלר, "מה שגורם להאצת הפרוטונים הכלולים בסרט הרבה יותר ממה שהיו על ידי לייזר DRACO שלנו". במספרים: בעוד שהמתקן השיג בעבר אנרגיות פרוטונים של כ-80 MeV, כעת הוא יכול לייצר 150 MeV – כמעט כפול.

כדי להשיג שיא זה, הצוות היה צריך לערוך סדרה של ניסויים כדי לגשת לפרמטרי האינטראקציה המושלמים, למשל לגבי העובי האופטימלי של הסרטים שבהם נעשה שימוש. בעת ניתוח נתוני המדידה, גילתה קבוצת המחקר כי לקרן החלקיקים המואצת יש תכונה נעימה נוספת: הפרוטונים בעלי האנרגיה הגבוהה מציגים חלוקת אנרגיה צרה, כלומר, באופן פיגורטיבי, כולם מהירים בערך באותה מידה – תכונה מועילה ליישומים מאוחרים יותר. – אשר עבורם אנרגיות פרוטונים גבוהות ואחידות מועילות ביותר.

יתרון: יעילות אנרגטית

אחד מהיישומים הללו הוא לחקור מושגים רדיוביולוגיים חדשים לטיפול מדויק ועדין בגידול. בשיטה זו מופעלים מינונים גבוהים מאוד של קרינה לתקופה קצרה מאוד. עבור מחקרים אלו, עד כה, נעשה שימוש בעיקר במאיצי טיפול קונבנציונליים בקנה מידה גדול אשר זמינים רק במרכזים בודדים בגרמניה ואשר, כמובן, מועדפים לטיפול בחולה.

נוהל ה-HZDR החדש הופך כעת את השימוש במערכות לייזר קומפקטיות יותר, ומאפשר לקבוצות מחקר נוספות לגשת לחקירות אלו ולהקל על תרחישי קרינה, שמערכות קונבנציונליות אינן יכולות לספק.

"יתרה מכך, המתקנים של היום זקוקים להרבה כוח", אומר זיגלר. "בהתבסס על האצת פלזמה בלייזר הם יכולים להיות הרבה יותר חסכוניים."

ההליך יכול לשמש גם לייצור יעיל של נויטרונים. ניתן להשתמש בהבזקי הלייזר להפקת פולסי נויטרונים קצרים ואינטנסיביים, המעניינים לשימוש במדע ובטכנולוגיה וכן לניתוח חומרים. גם כאן, מאיצי פלזמה מבטיחים להרחיב משמעותית את תחומי היישום הקודמים. אבל קודם כל, המדענים רוצים לחדד את השיטה החדשה ולהבין אותה טוב יותר. בין היתר הם רוצים לשתף פעולה עם מעבדות אחרות כדי לשלוט בתהליך בצורה מדויקת יותר ולהפוך את הטכנולוגיה לזמינה יותר. שיאים נוספים נמצאים גם על הפרק: אנרגיות של יותר מ-200 MeV נראות אפשריות לחלוטין.