Магнитное поле помешало сверхмощному лазеру разогнать протоны

Международная группа ученых обнаружила, что возникающие при высоких мощностях лазерного излучения магнитные поля мешают лазерному ускорению протонов. Из-за этого внедрение более компактных лазерных технологий в медицине становится намного сложнее. Статья была опубликована в журнале Nature Communications.

Ускоряя протоны лазерными импульсами мощностью в десятки тераватт ученые обнаружили, что на процесс ускорения серьезно влияют верхсильные магнитные поля, возникающие в облучаемой мишени. Во время эксперимента сила этих полей достигала в эксперименте величины около 1 гигагаусса, что в миллионы раз превышает самые сильные магнитные поля, которые можно создавать электромагнитами. Из-за этих полей энергия протонов, полученная в эксперименте, оказалась в несколько раз ниже ожидаемой.

Лазерное ускорение протонов — это перспективная технология для использования в целом ряде областей, главная из которых — это протонная лучевая терапия раковых опухолей. По сравнению с обычно используемым в этих целях рентгеновским излучением протоны намного более селективны и позволяют заметно снизить получаемую здоровыми тканями дозу. 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. Технологии создания сверхпроводящих магнитов в последние годы хорошо разивается, что позволяет снизить размеры и стоимость ускорителей, дальнейшее их уменьшение возможно за счет использования лазерных технологий.

При облучении тонкой металлической фольги сверхмощные лазеры полностью сжигают и разрушают ее, 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 стало увеличение энергии получаемых протонов. Самое большое ускорение, которого удалось достичь — почти 100 МэВ, однако для медицинских приложений это число надо еще как минимум удвоить. Этого можно достичь, используя все более мощные лазеры.

В экспериментах ученые ожидали получить энергию протонов выше 100 МэВ, однако она составила лишь 40 МэВ — такие энергии сейчас умеют получать на значительно менее мощных лазерных системах. 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 дальнейшем ученые планируют провести аналогичные исследования для более коротких лазерных импульсов. Численное моделирование показывает, что для них отрицательное влияние магнитного поля будет менее значительным.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.