Ускорение протонов с помощью мощных лазеров затрудняется возникающими в процессе ускорения магнитными полями. Это явление усложняет разработку компактных лазерных технологий, которые могли бы потеснить традиционные методы ускорения частиц в медицинских и других приложениях.
Статья об итогах работы международной группы учёных, возглавляемой профессором Политехнической школы (фр. École Polytechnique) в Париже Жульеном Фуксом (Julien Fuchs), опубликована в журнале Nature Communications. Среди научных учреждений, принимавших участие в исследовании — Институт прикладной физики РАН (Нижний Новгород).
В ходе экспериментов по ускорению протонов лазерными импульсами мощностью в десятки тераватт (1 тераватт = 1012 ватт = 1 триллион ватт) было замечено, что на процесс ускорения значительное влияние оказывают сверхсильные магнитные поля, возникающие в облучаемой мишени. Сила этих полей достигала величины около 1 гигагаусса (100 мегатесла), что в миллионы раз превышает самые сильные магнитные поля, которые можно создать электромагнитами. Именно из-за этих полей энергия протонов, полученная в эксперименте, оказалась в несколько раз ниже ожидаемой.
Лазерное ускорение протонов — перспективная технология, она может быть полезна в целом ряде областей. Например, в медицине — для протонной лучевой терапии раковых опухолей. Идея использовать для уничтожения опухоли ионизирующее излучение в виде потока протонов возникла более полувека назад. Для облучения опухолей обычно используется рентгеновское излучение, но протоны обладают значительно более высокой избирательностью, окружающие здоровые ткани страдают меньше
Но для лучевой терапии нужно добиться, чтобы энергия протонов существенно превышала 100 МэВ. Для этого использовались большие и дорогие ускорители, работающих на основе радиочастотных технологий. В последние годы появились технологии создания сверхпроводящих магнитов — это позволило снизить размеры и стоимость ускорителей. Количество медицинских центров, которые могут проводить протонную лучевую терапию, увеличилось, но проблема её доступности по-прежнему существует.
Хотелось бы получить маленькие и недорогие протонные ускорители, и это возможно за счёт применения лазерных технологий. Современные лазерные системы — не только лазерные указки, уровни и дальномеры. Уже есть лазеры, мощность которых в десятки раз превосходит мощность всех электростанций мира. Разумеется, они работают с такой мощностью очень короткий промежуток времени — не более триллионной доли секунды. Впрочем, излучение подобных лазеров использовать для эффективного ускорения частиц можно.
При облучении тонких металлических фольг сверхмощные лазеры полностью их сжигают и разрушают. При этом образуется горячая плазма, из которой, помимо прочего, летят пучки быстрых протонов. В отличие 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 — от нескольких метров до нескольких миллиметров.
Одной из основных проблем лазерного ускорения протонов на сегодня является увеличение энергии получаемых протонов. Рекордом является их ускорение до почти 100 МэВ. Для медицины этого мало. Один из очевидных путей увеличения мощности — использование всё более мощных лазеров. Действенность такого подхода и проверяла команда Ж. Фукса.
Эксперименты проводились на двух лазерных установках — в центре LULI (Франция) и в Национальной лаборатории в Сандии (США).
Мощность использованных лазерных импульсов достигала 200 тераватт. Ожидалось, что энергия протонов будет выше 100 МэВ, но она составила лишь 40 МэВ — такие энергии сейчас умеют получать и на значительно менее мощных лазерных системах.
Анализ экспериментальных данных показал, что причина такого результата — отрицательное влияние на процесс ускорения сверхсильных (свыше 1 гигагаусса) магнитных полей, которые возникают под действием лазерного излучения в мишени. Они тормозили нагреваемые лазером электроны, которые должны были ускорять протоны. В результате протоны недополучали энергию.
В планах учёных — аналогичные исследования для более коротких лазерных импульсов.
Численное моделирование показывает, что для них отрицательное влияние магнитного поля будет не таким сильным. 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.
