Cuando los pulsos de luz de un sistema láser extremadamente potente se disparan sobre muestras de material, el campo eléctrico de la luz arranca los electrones de los núcleos atómicos. Durante fracciones de segundo, se crea un plasma. Los electrones se acoplan con la luz láser enel proceso, casi alcanzando la velocidad de la luz. Al volar fuera de la muestra de material, tiran de los núcleos atómicos iones detrás de ellos. Para investigar experimentalmente este complejo proceso de aceleración, investigadores del centro de investigación alemán Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR ha desarrollado un nuevo tipo de diagnóstico para innovadores aceleradores de partículas basados en láser. Sus resultados ahora se publican en la revista Revisión física X .
"Nuestro objetivo es un acelerador ultracompacto para la terapia de iones, es decir, la irradiación del cáncer con partículas cargadas", dice el físico Dr. Thomas Kluge del HZDR. Además de las clínicas, la nueva tecnología del acelerador también podría beneficiar a las universidades e instituciones de investigación. Sin embargo,Se necesita mucho trabajo de investigación y desarrollo antes de que la tecnología esté lista para su uso. El láser DRACO en el Centro Helmholtz en Dresde actualmente alcanza energías de alrededor de 50 megaelectronvoltios. Sin embargo, se requieren de 200 a 250 megaelectronvoltios para irradiar un tumor con protones.
Gracias a sus pulsos ultracortos en el rango de unos pocos femtosegundos, un tiempo durante el cual un rayo de luz cruza solo una fracción del cabello humano, el láser DRACO alcanza una potencia de casi un petavatio. Esto corresponde a cien vecesla potencia eléctrica promedio generada en todo el mundo
"Necesitamos entender los procesos individuales involucrados en la aceleración de electrones e iones mucho mejor", enfatiza Kluge. Junto con colegas de Dresden, Hamburgo, Jena, Siegen y Estados Unidos, los investigadores del HZDR ahora han tenido éxito por primera vez en la observaciónestos procesos extremadamente rápidos prácticamente en tiempo real en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC de la Universidad de Stanford en los EE. UU.
Para lograr esta hazaña, los científicos necesitan dos láseres especiales al mismo tiempo: el láser de alta intensidad en SLAC tiene una potencia de alrededor de 40 teravatios, es decir, aproximadamente 25 veces más débil que DRACO. Al golpear la muestra de material objetivo, enciende el plasma.El segundo láser es un láser de rayos X, que se utiliza para registrar con precisión los procesos individuales: desde la ionización de las partículas en el objetivo y la expansión del plasma, hasta las oscilaciones e inestabilidades del plasma.eso ocurre cuando los electrones se calientan a varios millones de grados Celsius, hasta la aceleración eficiente de los electrones e iones.
"Utilizando el método de dispersión de ángulo pequeño, hemos realizado mediciones en el rango de femtosegundos y en escalas que van desde unos pocos nanómetros hasta varios cientos de nanómetros", dice la estudiante de doctorado HZDR Melanie Rödel, quien desempeñó un papel principal en el experimento.Fueron necesarios años de trabajo para acceder a estas áreas y obtener señales limpias en las imágenes de dispersión del láser de rayos X.
"El nuevo diagnóstico para aceleradores basados en láser ha confirmado de manera excelente nuestras expectativas con respecto a su resolución espacial y temporal. Por lo tanto, hemos allanado el camino para la observación directa de los procesos físicos de plasma en tiempo real", dice el Dr. Josefine Metzkes-Ng, jefe de uno de los grupos de investigación junior participantes en el Instituto de Física de Radiación del HZDR.
A partir de 2019, el Helmholtz International Beamline for Extreme Fields HIBEF, que el HZDR está creando actualmente como parte de una colaboración internacional en el láser de rayos X más fuerte del mundo, el XFEL europeo cerca de Hamburgo en Alemania, proporcionará unconfiguración experimental de próxima generación con un láser de pulso corto significativamente más potente.
Alta densidad de electrones gracias a la estructura del dedo
Para los físicos involucrados en los experimentos, un detalle específico de sus cálculos realizado para una revelación en particular. "Nuestros objetivos fueron desarrollados especialmente en el Centro HZDR Ion Beam para tener una especie de pequeña estructura de dedo en su superficie. El láserel haz se dispersa en esta estructura, lo que resulta en un número particularmente grande de electrones de las esquinas que se aceleran y se cruzan entre sí ", explica Thomas Kluge.
El hecho de que este detalle predicho por los cálculos pudiera descubrirse en el experimento, que después de todo dura solo diez femtosegundos, aumenta las esperanzas, por ejemplo, de poder observar más formaciones de patrones espontáneos inestabilidades., por ejemplo, por la oscilación de los electrones en el campo electromagnético del láser.
Los investigadores están interesados en identificar inestabilidades que interrumpen la aceleración de los electrones e iones, con el objetivo de evitarlos seleccionando objetivos adecuados, por ejemplo. "Sin embargo, también sabemos por nuestras simulaciones que las inestabilidades pueden incluso aumentar la eficienciadel proceso de aceleración ", explica el físico." En nuestras simulaciones, hemos identificado la inestabilidad de Raleigh-Taylor, entre otras. "Esto hace que el láser óptico transfiera más energía al plasma que genera. Tales inestabilidades 'positivas' podríanSer un tornillo de ajuste importante para optimizar el proceso de aceleración de iones mediado por los electrones.
Los científicos del láser esperan que la nueva instalación HIBEF proporcione muchos más conocimientos sobre la aceleración del plasma. Este 'laboratorio extremo' del HZDR proporcionará el instrumento de Ciencia de Densidad de Alta Energía HED en el XFEL europeo con láseres de alta potencia ".El pulso de rayos X del XFEL europeo, con el que mediremos los procesos en el plasma, es muy corto. También estamos planeando utilizar herramientas de diagnóstico adicionales para poder estudiar de manera óptima las oscilaciones del plasma, por ejemplo, ver más inestabilidadesen el experimento, y también generarlos de manera específica ", predice Thomas Kluge. De esta manera, los investigadores del HZDR apuntan a acercarse gradualmente a su objetivo de desarrollar un acelerador láser ultracompacto para la terapia de cáncer de protones.
Lo más importante en resumen
Los científicos del centro de investigación alemán Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR, junto con colegas del XFEL europeo, así como de Siegen, Jena y EE. UU., Han dado un paso decisivo hacia el uso del láser de próxima generación.con la ayuda del potente láser de rayos X de electrones libres de SLAC en California, pudieron investigar los procesos de plasma por primera vez en escalas pequeñas de unos pocos nanómetros y femtosegundos en los que la interacción turbulenta del lásercon las partículas a acelerar. En el futuro, los procesos podrían optimizarse y los aceleradores de partículas compactos basados en láser podrían usarse, por ejemplo, para la irradiación de tumores usando protones.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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