Ускорение протонов до энергий в диапазоне 100 мегаэлектронвольт достигалось за счет возбуждения гибридной схемы ускорения ионов в ультратонкой фольгированной мишени, облучаемой интенсивным лазерным импульсом.
Результаты исследования могут иметь важное значение для развития более мелких и дешевых ускорителей ионов с лазерным приводом и их многочисленных потенциальных применений. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Профессор Пол МакКенна с факультета физики Стратклайда возглавляет проект. Он сказал: «Ускорители с лазерным приводом обладают преобразующим потенциалом благодаря своей компактной природе и уникальным свойствам пучков частиц и производимого излучения.
«Ряд многообещающих применений ускоренных лазером ионов требует увеличения энергии ионов.
Наша демонстрация ускорения ионов высоких энергий с помощью гибридного механизма ускорения открывает потенциально новый путь к совершенствованию и управлению лазерными источниками ионов."
Ускорители элементарных частиц оказали глубокое влияние на науку и общество. Они являются основой инновационных подходов к лечению рака, являются бесценными инструментами в материаловедении и биологии, а также являются движущими силами для экспериментов по физике высоких энергий, таких как те, которые подтвердили существование бозона Хиггса.
Заряженные частицы обычно ускоряются в электрических полях, возникающих в радиочастотных резонаторах. Напряженность поля ограничена электрическим пробоем, а это означает, что для ускорения частиц до высоких энергий требуются большие структуры.
За последнее десятилетие мощные лазеры превратились в новый драйвер потенциально компактных источников электронов и ионов высоких энергий. Фокусировка лазерного света в плазму создает чрезвычайно сильные электрические поля, и, таким образом, ускорение частиц происходит на короткой длине – обычно примерно в 1000 раз короче, чем у ускорителя с радиочастотным резонатором при той же энергии частиц.
Профессор Маккенна сказал: «Одна из основных проблем при ускорении ионов с использованием интенсивных лазеров заключается в том, что сверхбыстрые процессы, происходящие в течение короткого времени лазерного импульса, могут затруднить оптимизацию отдельного механизма ускорения. Однако, как показали наши исследования, это также может уступить место разработке гибридных схем, включающих два или более механизмов ускорения, которые могут обеспечить дополнительные степени контроля над конечными свойствами ионного пучка."
Исследование было выполнено командой исследователей из Университета Стратклайда, Центрального лазерного центра STFC, Королевского университета в Белфасте и Шанхайского университета Цзяо Тонг.
Исследование финансируется EPSRC (Советом по исследованиям в области инженерных и физических наук), и эксперимент проводился на петаваттной лазерной системе Vulcan в Великобритании в Центральном лазерном центре Совета по науке и технологиям (STFC) в Оксфордшире. Моделирование проводилось с использованием высокопроизводительных компьютеров ARCHIE-WeSt (Strathclyde) и ARCHER (Эдинбург).