Исследователи из шведского Технологического университета Чалмерса и Гетеборгского университета представляют новый метод, который может удвоить энергию протонного пучка, создаваемого лазерными ускорителями частиц, — пишет eurekalert.org со ссылкой на Communications Physics.
Новый метод предполагает сначала расщепление луча лазера на два менее интенсивных импульса, а затем наложение обоих на фольгу с двух разных углов одновременно. Когда два импульса сталкиваются с фольгой, возникающие в результате электромагнитные поля чрезвычайно эффективно нагревают фольгу. Техника приводит к образованию пучка протонов с большей энергией.
Это открытие может привести к созданию более компактного и более дешевого оборудования, которое может быть полезным во многих случаях, например, в протонной терапии.
Протонная терапия включает в себя запуск пучка ускоренных протонов на раковые опухоли, которые в таком случае уничтожаются при облучении. Но необходимое оборудование настолько большое по размерам и дорогое, что существует только в нескольких местах по всему миру.
Современные мощные лазеры предлагают возможность уменьшить размеры и стоимость оборудования, поскольку они могут ускорять частицы на гораздо более коротком расстоянии, чем традиционные ускорители, — им требуются для этого метры, а не километры. Проблема заключается в том, что, несмотря на усилия исследователей по всему миру, генерируемые лазером протонные пучки в настоящее время недостаточно энергичны. Но теперь шведские исследователи представляют новый метод, который дает удвоение энергии – это большой скачок вперед.
Стандартный подход включает в себя запуск лазерного импульса в тонкую металлическую фольгу, при этом взаимодействие приводит к образованию пучка протонов. Новый метод предполагает сначала расщепление луча лазера на два менее интенсивных импульса, а затем наложение обоих на фольгу с двух разных углов одновременно. Когда два импульса сталкиваются с фольгой, возникающие в результате электромагнитные поля чрезвычайно эффективно нагревают фольгу. Техника приводит к образованию пучка протонов с большей энергией при использовании той же начальной энергии лазера, что и при стандартном подходе.
«Это сработало даже лучше, чем мы могли надеяться. Цель состоит в том, чтобы достичь уровней энергии, которые фактически используются в протонной терапии сегодня. В будущем, вероятно, будет возможно построить более компактное оборудование – размером в одну десятую от нынешнего, так что обычная больница сможет предложить своим пациентам протонную терапию»,
— говорит Жюльен Ферри — научный сотрудник физического факультета в Чалмерсе и один из авторов исследования.
Уникальным преимуществом протонной терапии является ее точность в нацеливании на раковые клетки: убивая их, она не травмирует здоровые клетки и близлежащие органы. Таким образом, этот метод имеет решающее значение для лечения опухолей, расположенных глубоко: например, в головном мозге или позвоночнике. Чем выше энергия протонного пучка, тем глубже он проникает в организм для борьбы с раковыми клетками.
Хотя достижения исследователей в удвоении энергии протонных пучков представляют собой большой прорыв, до конечной цели еще далеко.
«Нам нужно в 10 раз увеличить текущие энергетические уровни, чтобы действительно нацелиться глубже в тело. Одно из моих стремлений — помочь большему количеству людей получить доступ к протонной терапии. Возможно, это будет через 30 лет в будущем, но каждый шаг вперед важен», — говорит Тюнде Фюлеп — профессор кафедры физики в Чалмерсе.
Ускоренные протоны интересны не только для лечения рака. Их можно использовать для исследования и анализа различных материалов, а также для того, чтобы сделать радиоактивный материал менее вредным. Они также важны для космической отрасли. Энергичные протоны составляют большую часть космического излучения, которое наносит ущерб спутникам и другому космическому оборудованию. Производство энергичных протонов в лаборатории позволяет исследователям изучать, как происходит такое повреждение, и разрабатывать новые материалы, которые могут лучше выдерживать нагрузки космических путешествий.
Вместе с коллегой-исследователем Эвангелосом Симиносом из Гетеборгского университета исследователи из Чалмерса Джулиан Ферри и Тюнде Фюлеп использовали численное моделирование, чтобы показать выполнимость метода. Их следующий шаг — проведение экспериментов в сотрудничестве с Университетом Лунда.
«Сейчас мы рассматриваем несколько способов дальнейшего повышения уровня энергии в протонных пучках. Представьте себе, если сфокусировать весь солнечный свет, падающий на Землю в данный момент, на одну песчинку — это все равно будет меньше, чем интенсивность лазерных пучков, с которыми мы работаем. Задача состоит в том, чтобы доставлять еще больше энергии лазера к протонам», — объясняет Тюнде Фюлеп.