Проблема возникает, когда энергия протонов превышает 100 мегаэлектронвольт. До этого момента энергии хорошо масштабируются с интенсивностью лазера, что позволяет с помощью простой формулы предсказать выходной сигнал на входе. Однако при более высоких интенсивностях теория не работает и значительно переоценивает энергию пучка по не совсем понятным причинам.
Теперь, в исследовании Nature Communications, международная группа ученых под руководством Университета Осаки раскрыла часть головоломки.Ускорение протонов на самом деле является вторичным эффектом лазерной бомбардировки. Первоначально лазер выталкивает электроны из тонкой твердой мишени. Двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, эти электроны затем создают мощное электрическое поле, известное как поле оболочки, и именно оно ускоряет близлежащие протоны.
Однако исследователи из Осаки поняли, что более ранние теории упускали из виду важный камень преткновения: магнетизм.«Оболочка фактически образует наклон, и протоны ускоряются через этот наклон под прямым углом к цели», — объясняет ведущий автор исследования Мотоаки Накацуцуми. «К сожалению, электроны, образующие оболочку, также генерируют ток, который вызывает магнитное поле, называемое B-полем. Этот магнетизм ставит под угрозу весь процесс, улавливая электроны на поверхности мишени. В то время как протоны отклоняются от поверхности оболочка ".
Самоторможение прогрессивно ухудшается с увеличением мощности лазера, создавая B-поля величиной до 100 мегаусс. Таким образом, протоны становятся менее энергичными и широко распространяются, как команда подтвердила в экспериментах.С помощью моделирования команда исследовала две стратегии минимизации этого эффекта. Заметив, что B-полю требуется некоторое время для достижения максимальной силы, они предположили, что чрезвычайно короткие лазерные импульсы могут позволить протонам опередить его.
Это работает до определенной степени. Однако расчеты показали, что даже импульсы короче 100 фемтосекунд не смогут предотвратить магнитное торможение при использовании самых мощных лазеров.Их вторая идея заключалась в использовании более тонких твердых мишеней, чем размер лазерного пятна, что ослабляет влияние B-поля на траектории электронов. К сожалению, толщина мишени ограничена временным профилем лазера, поэтому нам приходится увеличивать размер лазерного пятна, что требует больше энергии лазера, например более дорогая лазерная система.
«Магнитное торможение может стать серьезным препятствием для ряда методов ускорения частиц», — прогнозирует Накацуцуми. «Дело не только в лазерах — это может повлиять и на радиационное ускорение. Пока мы не нашли однозначного решения.
Однако это инновационная область исследований, и я не сомневаюсь, что это препятствие можно преодолеть. Наше понимание механизма Мы надеемся, что ингибирование станет прочной основой для решения проблемы ".