Para ilmuwan secara tidak sengaja memecahkan masalah sinar proton utama
Para ilmuwan telah membuka kunci cara revolusioner untuk menghasilkan balok proton menggunakan laser bertenaga tinggi dan aliran air yang sederhana.
Tidak seperti metode konvensional yang membutuhkan akselerator besar dan mahal, pendekatan ini menggunakan akselerator laser-plasma untuk menghasilkan balok proton yang sangat cepat dalam ruang yang ringkas.
Terobosan dalam akselerasi balok proton
Para ilmuwan telah mengembangkan metode baru untuk menghasilkan balok proton yang cepat dan cerah menggunakan akselerator laser-plasma tingkat pengulangan tinggi. Penelitian mereka, diterbitkan di Komunikasi Alammengatasi tantangan lama dan mendorong teknologi ini ke arah aplikasi praktis-semua dengan bantuan aliran air yang sederhana.
“Hasil yang menarik ini membuka jalan bagi aplikasi baru laser daya tinggi relativistik untuk aplikasi dalam kedokteran, penelitian akselerator, dan fusi inersia,” kata Siegfried Glenzer, profesor foton Sains dan Direktur Divisi Sains Kepadatan Energi Tinggi di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC Departemen Energi.
Kebutuhan akan jenis baru balok proton
Balok proton adalah aliran berkecepatan tinggi dari partikel bermuatan yang dapat secara tepat menargetkan bahan, membuatnya berharga untuk berbagai aplikasi. Tidak seperti sinar-X, yang mempengaruhi area yang lebih luas, balok proton menyimpan energi mereka di lokasi tertentu, membuatnya berguna untuk mengobati kanker, membuat fabrikasi semikonduktordan melakukan penelitian ilmiah canggih. Namun, menghasilkan balok berenergi tinggi yang sangat cepat ini tetap menjadi tantangan.
Akselerator partikel tradisional, seperti synchrotron, menggunakan elektromagnet yang kuat untuk mempercepat, mengarahkan, dan memfokuskan balok partikel. Sementara sistem ini sangat penting untuk penemuan ilmiah, ukuran besar dan biaya tinggi membuatnya tidak praktis untuk digunakan secara luas dalam industri dan perawatan kesehatan. Beberapa pusat medis tingkat lanjut sudah menggunakan balok proton untuk mengobati tumor, secara selektif menghancurkan sel kanker sambil meminimalkan kerusakan pada jaringan di sekitarnya. Namun, sumber balok proton yang lebih kompak dan hemat biaya dapat secara signifikan memperluas akses ke teknologi ini, memungkinkan perawatan medis baru dan aplikasi industri.
Janji akselerasi laser-plasma
Masukkan akselerator laser-plasma (LPA). LPA menggunakan laser intensitas tinggi untuk menyerang target, menghasilkan balok partikel bermuatan yang mencapai kecepatan yang sebanding dengan yang diproduksi menggunakan akselerator tradisional-tetapi dalam sebagian kecil dari jarak. Para ilmuwan sedang mengeksplorasi LPA sebagai cara yang kompak dan hemat biaya untuk menghasilkan balok proton, tetapi beberapa tantangan teknis telah menghambat kemajuan mereka.
Satu tantangan muncul dari laser intensitas tinggi, yang menghancurkan target setelah setiap denyut nadi, membutuhkan target baru untuk setiap tembakan. Masalah lain adalah balok divergensi – balok proton yang diproduksi oleh LPA yang biasanya tersebar seperti lampu sorot daripada mempertahankan fokus sempit. Baik kebutuhan untuk penggantian target dan divergensi balok secara signifikan mengurangi efisiensi sistem LPA.
Tambahkan saja air
Dalam studi baru -baru ini, para peneliti membuat terobosan yang tidak terduga, secara bersamaan menyelesaikan beberapa masalah meskipun mereka hanya bertujuan untuk mengatasinya.
Bekerja di fasilitas laser pusat STFC Rutherford Appleton Laboratory, tim menguji target baru, yang dikembangkan oleh para peneliti di SLAC, untuk mengatasi inefisiensi mengganti target setelah setiap pulsa laser. Alih-alih menggunakan target padat tradisional, mereka memperkenalkan selembar air yang tipis-aliran yang mengatur diri sendiri yang mengisi kembali setelah setiap tembakan. Ketika laser menghantam air, itu menghasilkan balok proton seperti yang diantisipasi.
Kejutan yang berfokus pada diri sendiri
Tapi kemudian, sesuatu yang mengejutkan terjadi. Air yang diuapkan membentuk awan uap di sekitar target, yang berinteraksi dengan balok proton untuk membuat medan magnet. Bidang -bidang ini secara alami memfokuskan balok, menghasilkan balok proton yang lebih cerah dan lebih rapat.
Dibandingkan dengan percobaan serupa dengan target padat, lembaran air mengurangi balok proton Divergensi dengan urutan besarnya dan meningkatkan efisiensi balok dengan faktor seratus. Balok proton menunjukkan stabilitas yang luar biasa, secara konsisten beroperasi pada lima pulsa per detik selama ratusan tembakan laser.
“Efek ini sama sekali tidak terduga,” kata Griffin Glenn, seorang mahasiswa PhD Universitas Stanford yang terlibat dalam merancang target lembaran air dan melakukan analisis data dan penulis kedua di atas kertas. Banyak variabel dalam percobaan ini – termasuk sifat terperinci dari laser, lembaran air, dan lingkungan vakum – membuat prediksi tersebut tidak mungkin.
Namun, setelah mengamati fenomena tersebut, tim menggunakan data eksperimental untuk memodelkan dan mendapatkan pemahaman yang lebih dalam tentang kekuatan yang mendasari mendorong efek tersebut. Temuan tim menunjukkan bahwa pendekatan ini dapat diskalakan ke sistem berenergi lebih tinggi, memungkinkan balok proton yang lebih cerah dan lebih energik.
Menggeser paradigma
“Pekerjaan ini telah menggeser seluruh paradigma,” kata Glenzer. “Akhirnya, kami tidak lagi sepenuhnya bergantung pada simulasi. Kita sekarang dapat mendorong fisika dari sudut pandang eksperimental, menguji berbagai intensitas laser, kepadatan target, dan tekanan lingkungan. Seluruh rezim fisika ada di depan kita. “
Khususnya, balok proton secara konsisten memberikan setara dengan 40 abu -abu dengan setiap bidikan, dosis radiasi standar yang digunakan dalam terapi proton yang belum pernah dicapai dengan LPA yang beroperasi pada tingkat pengulangan ini. Selain itu, hasilnya dicapai dengan menggunakan sistem laser berenergi rendah yang mudah diakses, menandai kemajuan besar menuju persiapan LPA untuk aplikasi praktis dalam kedokteran dan industri.
Referensi: “Akselerasi laser yang stabil dari balok proton fluks tinggi dengan plasma Collimation ”oleh MJV Streeter, GD Glenn, S. Diiorio, F. Treffert, B. Loughran, H. Ahmed, S. Astbury, M. Borghesi, N. Bourgeois, CB Curry, Sjd Dann, Np Dover, T. Dzelzainis, OC Eettlinger, M. GAUTIER, M. GS Hicks, C. Hyland, V. Istokskaia, M. King, D. Margarone, O. McCusker, P. McKenna, Z. Najmudin, C. Parisuaña, P. Parsons, C. Spindloe, Dr Symes, Agr Thomas, N. Xu dan Caj Palmer, 24 Januari 2025, Komunikasi Alam.
Doi: 10.1038/s41467-025-56248-4
Penelitian ini berlangsung di fasilitas laser pusat STFC Rutherford Appleton Laboratory UK dan sebagian didanai oleh Kantor Sains DOE, Administrasi Keamanan Nuklir Nasional DOE, dan National Science Foundation.
