Сотрудники Института лазерных и плазменных технологий Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" совместно с коллегами из Германии и Чехии предложили новый метод генерации сверхсильных квазистатических электрических полей, которые приводят к ускорению ионов в лазерной плазме. Результаты работы имеют большое значение для медицины, в частности протонной терапии — современном методе лечения онкологических заболеваний. Научная статья опубликована в престижном научном журнале Scientific Reports.
Как известно, существует три основных метода лечения онкологических заболеваний: хирургическое вмешательство, химиотерапия и облучение (радиотерапия). Последняя представляет собой воздействие ионизирующей радиацией, что губительно не только для опухоли, но и для окружающих здоровых тканей. Это накладывает ограничение на мощность пучка гамма-лучей, которые используются при радиотерапии.
В этом отношении гораздо выгоднее использовать протоны. Благодаря сравнительно большой массе протоны испытывают лишь небольшое поперечное рассеяние в ткани, а разброс длины их пробега очень мал. Поэтому пучок протонов можно очень точно сфокусировать на опухоль, не внося повреждений в окружающие здоровые ткани.
Но для того, чтобы получать пучки протонов, нужен ускоритель заряженных частиц. Это очень дорогостоящее, многотонное оборудование. Так, например, синхроциклотрон терапевтического центра в Орсэ (Франция) имеет суммарную массу 900 тонн. Поэтому во многих университетах мира работают над альтернативными методами генерации пучков сверхбыстрых заряженных частиц. Один из них основан на использовании лазерного ускорителя.
Лазерные ускорители заряженных частиц существенно компактнее и дешевле обычных циклотронов и синхротронов, но качество получаемых с их помощью пучков пока недостаточно для большинства практических применений из-за большого разброса по энергиям протонов и недостаточной мощности. На сегодняшний день развернулась настоящая гонка за новыми методами лазерного ускорения: получение протонного пучка с энергией 100-200МэВ и разбросом, не превышающим нескольких процентов, открыло бы новую эпоху в лазерной медицине.
По словам ученых МИФИ, разработанная ими теория может помочь в развитии новых методов лазерного ускорения.
"В работе мы предсказали теоретически и продемонстрировали при помощи численного моделирования довольно парадоксальный на первый взгляд эффект: сила радиационного трения, действующая на заряженные частицы, излучающие электромагнитные волны, может способствовать их ускорению", – рассказал доцент кафедры теоретической ядерной физики МИФИ и научный сотрудник института Extreme Light Infrastructure Beamlines (Чехия) Евгений Гельфер.
В обычных механических системах силы трения всегда приводят к потере кинетической энергии и затуханию упорядоченного движения. Сила радиационного трения устроена особенным образом – она возникает за счет перекачки энергии внешнего поля (в данном случае лазерного) в энергию квантов очень высоких частот. Рабочим телом, совершающим эту перекачку, является электрон, и в процессе переноса энергии из одного резервуара в другой, сам он может как замедляться, так и ускоряться.
"Мы рассмотрели распространение сверхсильного лазерного импульса в плазме. В электромагнитных полях мощностью в несколько петаватт и выше (1 ПВт=1 015 Вт, для сравнения, мощность крупнейшей электростанции мира – 22 500 МВт, то есть примерно в 50 000 раз меньше) электроны настолько интенсивно излучают, что их движение определяется не только силой Лоренца, но и силой радиационного трения, возникающей вследствие отдачи при излучении. Причем последняя может даже превосходить силу Лоренца по величине. Мы показали, что при этом замедление электронов радиационным трением в плоскости, перпендикулярной направлению распространения лазерного луча, приводит к более сильному ускорению их вперед. Таким образом способствуя более эффективному разделению зарядов в плазме и усилению, возникающего при этом продольного электрического поля. Именно это поле вызывает ускорение ионов, поэтому полученный нами результат может помочь в получении ионных пучков более высокого качества", – говорит Евгений Гельфер.