Магнитное поле помешало сверхмощному лазеру разогнать протоны

07.02.2018 21:28

4009

Международная группа учёных обнаружила, что лазерное ускорение протонов испытывает отрицательное влияние со стороны возникающих в процессе ускорения магнитных полей при высоких мощностях используемого лазерного излучения. Это является дополнительной сложностью на пути внедрения более компактных лазерных технологий вместо традиционных методов ускорения частиц в медицинских и других приложениях. Статья была опубликована в журнале Nature Communications (https://www.nature.com/articles/s41467-017-02436-w).

Возглавляемая профессором Политехнической школы в Париже Жульеном Фуксом (Julien Fuchs) международная группа учёных, в состав которой вошли также сотрудники Института прикладной физики РАН из Нижнего Новгорода, в ходе экспериментов по ускорению протонов лазерными импульсами мощностью в десятки тераватт (1 тераватт = 10¹² ватт = 1 триллион ватт) обнаружила, что на процесс ускорения значительное влияние оказывают сверхсильные магнитные поля, возникающие в облучаемой мишени. Сила этих полей достигала в эксперименте величины около 1 гигагаусса, что в миллионы раз превышает самые сильные магнитные поля, которые умеют создавать электромагнитами. Из-за этих полей энергия протонов, полученная в эксперименте, оказалась в несколько раз ниже ожидаемой.

Лазерное ускорение протонов является перспективной технологией для использования в целом ряде областей, главной из которых является протонная лучевая терапия раковых опухолей. Идея использовать для уничтожения опухоли ионизирующее излучение в виде потока протонов возникла более полувека назад. По сравнению с обычно используемым в этих целях рентгеновским излучением протоны обладают значительно более высокой селективностью и позволяют заметно снизить величину дозы, получаемой окружающими опухоль здоровыми тканями. Однако требуемая для лучевой терапии энергия протонов — около 200—300 МэВ — долгое время была доступна только на больших и дорогих ускорителях, работающих на основе традиционных радиочастотных технологий. Развитие в последние годы технологии создания сверхпроводящих магнитов позволило снизить размеры и стоимость ускорителей, что привело к росту количества центров, предоставляющих услугу протонной лучевой терапии, однако проблема её доступности в полной мере не решена до сих пор.

Дальнейшее уменьшение размеров протонных ускорителей возможно за счёт использования лазерных технологий. Современные лазерные системы далеко ушли от привычных нам лазерных указок, уровней и дальномеров. Учёные научились создавать лазеры, мощность которых в десятки раз превосходит мощность всех электростанций, работающих в мире. Конечно, такую мощность они развивают лишь на чрезвычайно короткий промежуток времени — не более триллионной доли секунды — однако, как было выяснено около 15 лет назад, излучение подобных лазеров можно использовать для эффективного ускорения частиц.

При облучении тонких металлических фольг сверхмощные лазеры полностью их сжигают и разрушают, создавая горячую плазму, из которой в том числе летят пучки быстрых протонов. При этом в отличии от традиционных ускорителей, в которых величина ускоряющих полей ограничена прочностью создающих их магнитов и электродов, в лазерном ускорении разрушение фольги не мешает процессу ускорения, и ускоряющие поля превосходят поля в традиционных ускорителях в тысячи раз. Это позволяет также в тысячи раз сократить размеры ускорителя — уменьшив их от нескольких метров до нескольких миллиметров.

На сегодняшний день одной из основных проблем лазерного ускорения протонов является увеличение энергии получаемых протонов. Рекордом является ускорение их до почти 100 МэВ, однако для медицинских приложений это число надо ещё, как минимум, удвоить. Одним из очевидных путей сделать это является использование всё более мощных лазеров. Именно его исследовала команда Ж. Фукса. Эксперименты были проведены на двух лазерных установках — в центре LULI, во Франции, и в Национальной лаборатории в Сандии, США. Мощность использованных лазерных импульсов достигала 200 тераватт.

При этом учёные ожидали получить энергию протонов выше 100 МэВ, однако она составила лишь 40 МэВ — такие энергии сейчас умеют получать на значительно менее мощных лазерных системах. Проведённый анализ показал, что причиной заниженного результата оказалось отрицательное влияние на процесс ускорения сверхсильных магнитных полей, которые возникают под действием лазерного излучения в мишени. Численное моделирование показало, что их величина скорее всего превышала 1 гигагаусс, что приводило к эффективному торможению нагреваемых лазером электронов, которые и должны были ускорять протоны. В результате протоны недополучали энергию.

В дальнейшем учёные планируют провести аналогичные исследования для более коротких лазерных импульсов. Численное моделирование показывает, что для них отрицательное влияние магнитного поля будет менее значительным. В частности, такие эксперименты будут проведены в Институте прикладной физики РАН, где создан и функционирует лазерный комплекс PEARL, способный генерировать излучение мощностью до 500 тераватт. Здесь же профессор Ж. Фукс возглавляет лабораторию, созданную в 2014 году в рамках программы мегагрантов Министерства образования и науки РФ (договор № 14.Z50.31.0007). В рамках этого же договора было поддержано участие сотрудников ИПФ РАН и в обсуждаемой работе.

На иллюстрации: Результат численного моделирования. Структура магнитного поля в мишени и траектории нескольких случайно выбранных электронов.