Daniele Margarone, Ph.D.
Cílem oddělení Urychlování iontů a aplikací vysokoenergetických částic je generovat iontové svazky pomocí interakce laserového impulsu s plasmatem. S tím jsou spojené různé demonstrační experimenty zaměřené na budoucí mezioborové aplikace pro využití ve společnosti, se speciálním důrazem na ty biomedicínské (ELIMED). Optimalizace kvality a reprodukovatelnosti částicového svazku (např. jeho prostorový profil, divergence, energetická stabilita či přesné zacílení svazku) je tedy zcela stěžejní. Pro vědecký tým je naprostou prioritou naplnit parametrové očekávání uživatelské vědecké komunity tak, jak je shrnuto v ELI-White Book.
Foto týmu Urychlování iontů a aplikací vysokoenergetických částic pořízené před jejich uživatelskou beamlinou ELIMAIA v experimentální hale E4.
Laserem řízené urychlování částic je poměrně nové odvětví fyziky, které se rychle rozvíjí díky stálému vývoji vysokovýkonných laserových systémů a s tím spojenou možností zkoumání interakce hmoty se světlem o relativistických intenzitách (>1019 W/cm2). Výsledkem takové interakce je generace extrémně vysokých elektrických a magnetických polí vznikajících pouze v plazmatu, která dokáží urychlit částice na kompaktních vzdálenostech. Úctyhodný vývoj zaznamenalo urychlování protonů laserem z pevnolátkových ultratenkých folií pomocí energetického transferu relativistických elektronů [Macchi et al]. Energie takto urychlených protonů prozatím dosahuje kolem 100 MeV [Higginson et al].
Laserové urychlování iontů z plasmatu
Přestože již protony o relativně vysokém výtěžku (1010-1012 protonů/impuls) byly experimentálně urychleny na energie okolo 100 MeV [Macchi et al, Higginson et al, nejsou parametry laserem řízených iontových svazků pro určité aplikace stále dostatečné. Aplikace totiž vyžadují další vylepšení částicového svazku tykající se převážně nižší divergence, zúžení šířky energetického spektra, homogenity prostorového profilu, nebo stability mezi jednotlivými výstřely. Nové laserové technologie, jako např. ty dostupné v ELI-Beamlines, umožní vědecké komunitě zkoumat inovativní urychlovací mechanismy, které jsou velmi slibné z hlediska budoucího využití laserem řízených iontových svazků v mezioborových aplikacích.
Obecně jsou vysokoenergetické iontové svazky produkovány pomocí silného elektrického pole v tenkých pevnolátkových terčích. Toto pole vzniká kolektivním přemístěním elektronů v důsledku interakce s laserovým impulsem, čímž dochází k urychlení protonů a těžších iontů společně s elektrony, dokud není znovuobnovena nábojová neutralita. Až doposud byla převážná většina experimentů prováděna v režimu známém jako Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), což je urychlovací mechanismus založený na generaci pole pocházejícího z prostorového náboje na zadní straně pevného terče o několika mikrometrové tloušťce. Toto kvazi-elektrostatické pole je generováno vysokoenergetickými elektrony známými jako “horké”, které jsou urychleny vysoce intenzivním laserovým impulsem zafokusovaným na přední stranu terče. Horké elektrony pak prochází materiálem fólie až na zadní stranu (případně terčem recirkulují), kde unikají do vakua (viz obrázek níže). Momentálně však vyvstávají také nové urychlovací mechanismy, a to díky vyšším laserovým intenzitám, které budou dostupné s nově instalovanými laserovými systémy, a také díky použití speciálně vyrobených tenčích terčů. Protony tak mohou být urychleny nejen podélným elektrickým polem (díky separaci náboje), ale také tlakem záření, rázovou vlnou v plasmatu, nebo díky relativisticky indukované transparenci a dalším jevům [Macchi et al].
Schéma fyzikálního mechanismu TNSA (Target Normal Sheath Acceleration) pro urychlení iontů z pevného terče pomocí interakce s laserovým impulsem (boční pohled) [Roth & Schollmeier]
2D Particle-in-cell simulace ukazuje výsledky interakce mezi vysokointenzivním laserovým impulsem (parametry odpovídají laserovému systému L3-HAPLS náležící např. k beamlině ELIMAIA) a mikrometr tlustým plastovým terčem. Můžeme pozorovat urychlení protonů (růžová paleta) a karbonových iontů (zelená paleta) s barevným rozlišením energií, které dosahují maximálních hodnot až 150 MeV pro protony, či až 40 MeV/nukleon pro karbonové ionty.