Zlepšení parametrů laserem řízené akcelerace iontů pomocí nanostruktur na terči

Laserem řízené urychlování iontů je velmi slibnou metodou, která může výrazně snížit rozměry a cenu konvenčního urychlovače. Nicméně výzkum zaměřený na laserové urychlování částic musí do budoucna vylepšit některé vlastnosti produkovaných svazků, jako jsou energie, počet a divergence částic, opakovatelnost výstřelů, atd. Během nedávné experimentální kampaně se našemu týmu podařilo výrazně zlepšit maximální dosaženou energii protonů (nárůst okolo 60%) a zvýšit jejich počet (přibližně 5 krát). Jako zdroj protonů při interakci s vysoko-intenzivním laserem posloužil nanostrukturovaný terč.

Náš výsledek představuje první teoretický a experimentální důkaz o takovém zlepšení vlastností v urychlovacím režimu TNSA (z angl. Target Normal Sheath Acceleration). Bylo ho dosaženo použitím speciální techniky nanokuliček o průměru blízkém (nebo menším) vlnové délce laseru, jež jsou homogenně rozmístěny na přední straně tenkého terče. Přítomnost těchto nanokuliček vede ke zvýšené absorpci laserového záření. To pak vede k vyšší generaci horkých elektronů a nárůstu jejich teploty, což má za následek efektivnější urychlování a tedy vyšší energie i počet urychlených protonů.

Tohoto původního výsledku bylo dosaženo ve spolupráci s vědeckým týmem na unikátním laserovém systému třídy petawatt na APRI-GIST v Korejské republice, týmem teoretiků a týmem připravujícím speciální nanostrukturované terče z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze. Při použití ještě vyšších intenzit laserů dávají naše výsledky slibný výhled pro využití v dalších oborech, například při návrhu budoucího centra hadronové terapie pro léčbu rakoviny.

Vlevo: Mechanizmus TNSA se speciální geometrií terče použitou v experimentu (boční pohled). Laser se absorbuje na rozhraní nanokuliček a vakua, kam dopadá pod úhlem 22,5°. Horké elektrony (generované na přední straně terče) prolétávají skrz terč a urychlují protony na jeho zadní straně. Vpravo: energetické spektrum urychlených protonů pro různé průměry nanokuliček na terči.

¹Institute of Physics of the ASCR, ELI-Beamlines/HiLASE projects, Na Slovance 2, 18221 Prague, Czech Republic
²Czech Technical University in Prague, FNSPE, Brehova 7, 115 19 Prague, Czech Republic
³Advanced Photonics Research Institute, GIST, 1 Oryong-dong, Buk-gu, Gwangju 500-712, Republic of Korea