Генерирование протонных пучков с помощью лазерного излучения и плазмы
Протонная терапия — это точный и эффективный метод лечения опухолей в чувствительных областях тела, таких как мозг или глаза, а одно из главных ее преимуществ – способность не повреждать окружающие здоровые ткани. В процессе лечения протоны (положительно заряженные частицы) разгоняются до сверхвысоких скоростей и направляются с высокой точностью в злокачественные клетки, тем самым уничтожая опухоль. Однако этот эффективный метод лечения до сих пор требует использования больших ускорителей, поэтому он применяется только в крупных лечебных центрах.
Но протонные пучки можно генерировать также с помощью лазерных систем меньшего размера, используя так называемое взаимодействие лазерного излучения с плазмой. Исследователи работают над этим уже как минимум два десятилетия, но вы пока не найдете таких протонных лазеров в обычных больницах и кабинетах врачей. Профессор Малте Калуца из Йенского университета Фридриха Шиллера, Германия, объяснил причину: «Протонное излучение, генерируемое лазерно-плазменным взаимодействием, просто не обладает достаточной энергией, хотя современные теоретические модели предсказывают, что необходимые условия для этого действительно могут быть созданы. Для лучевой терапии необходимо более 200 МэВ, а энергия протонов, ускоренных лазерами, до сих пор не превышала 100 МэВ».
Важный шаг в этом направлении был сделан профессором экспериментальной физики и релятивистской лазерной физики Калуца и его коллегами из Института оптики и квантовой электроники Йенского университета. Месяцами они систематически исследовали различные параметры лазерного ускорения протонов и анализировали их влияние на результирующее излучение и взаимодействие в процессе. По результатам этой работы ученые вывели набор оптимальных условий, которые дали бы возможность добиться максимальной энергии протонного пучка. Это позволит в будущем конфигурировать лазерные системы и условия эксперимента таким образом, чтобы можно было генерировать протонные пучки со значительно большей энергией. Результаты исследований опубликованы в Physical Review Research.
Для генерирования протонного пучка с помощью взаимодействия лазерного излучения с плазмой выстреливается лазерный импульс высокой интенсивности, например, по алюминиевой или титановой фольге толщиной всего несколько микронов. Луч лазера сильно сфокусирован, что создает плазму на передней поверхности фольги. При взаимодействии продолжающегося лазерного излучения с этой плазмой на обратной стороне фольги создается чрезвычайно сильное электрическое поле. Это вызывает ускорение протонов на поверхности металлической фольги.
«Можно было бы предположить, что для увеличения энергии генерируемого протонного пучка нужно всего лишь обстрелять фольгу лазерным лучом более высокой интенсивности, — говорит профессор Калуца, — но не все так просто». Исследование доказало, что, когда энергия излучаемого лазерного импульса превышает определенный порог, генерируемое электрическое поле изменяется во времени и пространстве. Это приводит к тому, что самые быстрые протоны слишком быстро покидают область наибольшей напряженности поля и, таким образом, ускоряются менее эффективно. Это объясняет то, почему до сих пор не удавалось добиться максимальной энергии ускоренных лазером протонов выше определенного значения.
Исследователи Йенского университета пришли к выводу, что для увеличения энергии протонных пучков в будущем необходимо будет точно настроить все параметры, такие как толщина фольги, фокусировка лазерного импульса и его длительность. Ученым впервые удалось теоретически определить, как заставить эту систему работать оптимально. Профессор Калуца и его коллеги теперь хотят выяснить, как результаты их изысканий могут быть применены в практических лазерных экспериментах, и с помощью этой публикации они сделали эти результаты доступными для мирового исследовательского сообщества. И, конечно же, они сами хотят использовать свои результаты в будущих экспериментах с лазером POLARIS.
На фото: Профессор Малте Калуца (слева) и доктор Ясмина Азамум готовят эксперимент с использованием лазера POLARIS. Фото предоставлено: Йенсом Мейером / Йенский университет
Оригинал новости можно прочитать здесь
