Взаимодействие высокоинтенсивного лазерного излучения с твердыми мишенями когда-нибудь может стать основой настольных источников высокоэнергетических ионов для медицинских приложений. Международная группа под руководством физиков из LMU, связанных с Мюнхенским центром передовой фотоники (MAP), кластером передового опыта, базирующимся в Мюнхене, и в сотрудничестве с учеными из Института квантовой оптики Макса Планка сделала еще один шаг к этому. Цель.
Они сделали это за счет повышения эффективности метода, который использует чрезвычайно интенсивные импульсы лазерного света для выброса пакетов высокоэнергетических ионов из алмазоподобной углеродной фольги. В своем эксперименте исследователи покрыли одну сторону фольги углеродными нанотрубками.
При лазерном облучении слой действует как линза, фокусируя и концентрируя световую энергию на фольге, что приводит к образованию гораздо более энергичных ионных пучков. Это впервые делает возможными эксперименты с высокоэнергетическими ионами углерода на клетках и приближает генерацию ионизирующего излучения под действием света к практическому применению.
Свет – чрезвычайно мощный и универсальный источник энергии. Когда высокоинтенсивные импульсы лазерного света направляются на ультратонкую алмазоподобную углеродную фольгу (DLC), они пробивают фольгу, отрывая электроны от атомов.
Затем отрицательно заряженное электронное облако увлекает за собой поток положительно заряженных ионов углерода, разгоняя их до скорости до 10% от скорости света. Всплески ионов углерода, создаваемые радиационным давлением, оказываемым на фольгу ультракороткими лазерными импульсами, могут быть использованы для лечения опухолей при условии, что ионы накапливают достаточную энергию. В настоящее время единственные машины, способные производить такие высокоэнергетические ионные пучки, – это большие и очень дорогие ускорители частиц.
Лазерные технологии пока не могут генерировать лучи сопоставимого качества. Тем не менее, световые подходы предлагают возможный путь к гораздо более компактным и гораздо менее дорогостоящим источникам ионов для медицинских приложений в будущем.
Для достижения этой цели физикам-лазерным специалистам необходимо увеличить интенсивность импульсов и найти способы гарантировать, что гораздо больше энергии падающего света доставляется в концентрированной форме к мишени из углеродной фольги. Физики MAP сделали значительный шаг к достижению последней цели. Каждый лазерный импульс, направленный на цель, длится 50 фемтосекунд (фемтосекунда равна миллионной миллиардной доли секунды) и состоит примерно из 20 колебаний оптического поля.
Это означает, что не вся электромагнитная энергия, связанная с оптическим импульсом, достигает цели одновременно. Он поступает в дисперсной форме, так что давление излучения, действующее на атомы мишени, постепенно увеличивается до максимума, а затем снова падает. Поскольку только пиковая энергия достаточно высока, чтобы оторвать ионы от фольги, этот процесс не очень эффективен.
Ультратонкие фольги из алмазоподобного углерода впервые были использованы при исследовании ускорения радиационным давлением пять лет назад.
В последних экспериментах техники сервисного центра MAP использовали осаждение из паровой фазы, чтобы покрыть лицевую часть каждой фольги углеродными нанотрубками. Нанотрубки ложатся на поверхность беспорядочно, как травинки в стоге сена.
Но плазма, образующаяся при попадании лазерного импульса на покрытие нанотрубки, эффективно действует как линза. В результате мощность падающего импульса концентрируется в достаточной степени, чтобы обеспечить немедленную ионизацию находящейся под ним углеродной фольги. Кроме того, покрытие из нанотрубок фокусирует световой импульс на очень небольшую область мишени.
Эти два эффекта вместе увеличивают энергию ионов углерода, выбрасываемых из фольги, примерно до 200 МэВ (мегаэлектронвольт) – значительно выше, чем было достигнуто ранее. Совместными усилиями исследователей из Германии, Великобритании, Испании и Китая эксперименты проводились с лазером ASTRA-Gemini в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Дидкоте (Великобритания) в рамках программы Laserlab Europe.
Доступные сейчас более высокие энергии позволяют впервые проводить эксперименты на ячейках с пучками ионов углерода. Однако, поскольку излучение должно пройти через здоровую ткань, прежде чем достигнет опухоли, для клинически значимых применений потребуется энергия не менее одного ГэВ (гигаэлектронвольт), что примерно в пять раз выше, чем было достигнуто в последних экспериментах. Но увеличение выходной мощности до этого уровня – не несбыточная мечта. На основе опыта Мюнхенского центра передовой фотоники в настоящее время строится новый Центр передовых лазерных приложений (CALA) в высокотехнологичном кампусе в Гархинге.
В CALA будет установлена новая система ультракоротких импульсов под названием ATLAS 3000, которая предназначена для подачи лазерных импульсов мощностью до трех петаватт. В сочетании с повышением энергии, которое стало возможным благодаря углеродной фольге, покрытой нанотрубками, эта система обещает приблизить эру световых источников ионизирующего излучения.