Laser-driven Bidirectional Quasi-monoenergetic Deuterons Enabled by Target Transparency in Boosted Coulomb Explosion
تُبلغ هذه الورقة عن الرصد التجريبي لبروتونات دوتيرون ثنائية الاتجاه شبه أحادية الطاقة (20.4 ميجا إلكترون فولت و23.8 ميجا إلكترون فولت) جرى تسريعها عبر آلية الانفجار الكولومبي المعزز في هدف ألومنيوم رقيق شفاف نسبياً، مما يؤكد ويوسع التطبيقات المحتملة لمخطط تسريع الأيونات المدفوع بالليزر هذا.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم فيزياء الطاقة العالية، سعى العلماء طويلاً لإيجاد طريقة لإنشاء حزم قوية من الجسيمات الذرية سريعة الحركة باستخدام الضوء بدلاً من الآلات الضخمة بحجم الغرف. لعقود من الزمن، تضمنت الطريقة القياسية إطلاق ليزر مكثف على هدف صلب، مما يؤدي إلى تجريد الذرات من إلكتروناتها وترك سطح مشحون بشحنة موجبة. هذا السطح يعمل بعد ذلك كمقلاعقة عملاق وغير مرئي، يقذف الأيونات (الذرات المشحونة) المجاورة إلى الخارج بسرعات هائلة. وبينما نجحت هذه التقنية، المعروفة باسم "تسارع غمد الهدف الطبيعي"، في تحقيق نتائج، إلا أنها غالباً ما تنتج رذاذاً فوضوياً من الجسيمات ذات نطاق واسع من الطاقات، مما يجعل من الصعب استخدامها في مهام دقيقة مثل التصوير الطبي أو علاج السرطان. وقد بحث الباحثون عن طريقة لتوليد حزم حيث تسافر كل جسيمة تقريباً بنفس السرعة تماماً، وهي صفة تُعرف بأنها "شبه أحادية الطاقة"، وللقيام بذلك بطريقة تسمح بتوجيه الحزمة بعيداً عن معدات الليزر الحساسة التي تنشئها.
لقد أظهر فريق من الباحثين في المعهد الوطني للعلوم الكمية والتكنولوجيا في اليابان وجامعة أوساكا الآن خطوة كبيرة للأمام في هذا المسعى. فقد استخدموا آلية تسمى "انفجار كولوم المعزز"، وهي عملية يخلق فيها الليزر موجة مستقرة من الضوء تدفع الإلكترونات خارج بلازما مسخنة مسبقاً، مما يتسبب في انفجار الأيونات الثقيلة المتبقية إلى الخارج في دفعة طاقة مركزة. وفي التجارب السابقة، كان هذا الانفجار يرسل الجسيمات فقط باتجاه الليزر، وهو أمر يمثل مشكلة لأن المرايا والعدسات اللازمة لتركيز الليزر موجودة في ذلك المسار مباشرة، مما يعيق أي أدوات تحاول التقاط الحزمة. ومع ذلك، يوضح العمل الجديد للفريق أنه باستخدام شريحة رقيقة جداً من الألمنيوم مغطاة بطبقة من الماء الثقيل، يمكنهم تحفيز هذا الانفجار بطريقة ترسل حزمة نظيفة وعالية الطاقة من الديوترونات — ذرات الهيدروجين الثقيل — تنطلق من الأمام والخلف من الهدف في آن واحد.
أُجريت التجربة في منشأة "الليزر لتجربة الاشتعال السريع"، حيث تم دمج أربع نبضات ليزر متزامنة لتقديم دفعة هائلة من الطاقة على هدف صغير. كان الهدف نفسه عبارة عن قطعة من رقاقة الألمنيوم بسمك 1.5 ميكرومتر فقط، أي ما يعادل عرض بكتيريا واحدة تقريباً، مع طبقة مجهرية من الماء الثقيل المترسب على أحد جوانبها. عندما ضرب الليزر الهدف، وصل نبض ضوئي مبكر قبل أجزاء من تريليون من الثانية لتحويل طبقة الماء الثقيل إلى سحابة من البلازما الساخنة والمتمددة. ثم تبع ذلك نبض الليزر الرئيسي، الذي تفاعل مع هذه السحابة لخلق قوة الانفجار. ولأن رقاقة الألمنيوم كانت رقيقة جداً، تمكن الليزر من الاختراق عبرها في منتصف التفاعل، وهي ظاهرة تُعرف باسم "الشفافية النسبية". سمح هذا الاختراق بعملية التسارع على كلا جانبي الرقاقة، بدلاً من الجانب المواجه لليزر فقط.
كانت النتائج مذهلة. ففي الجانب المواجه لليزر، قاس الفريق حزمة من الديوترونات بمتوسط طاقة يبلغ 20.4 مليون إلكترون فولت، مع انتشار ضيق جداً في السرعة. أما في الجانب المقابل، أي خلف الهدف، فقد رصدوا حزمة أكثر إثارة للإعجاب بلغت 23.8 مليون إلكترون فولت. وما جعل الحزمة الموجودة في الخلف مميزة بشكل خاص هو نقاؤها؛ إذ كانت خالية من الجسيمات الخلفية الفوضوية ومنخفضة الطاقة التي غالباً ما تشوش مثل هذه القياسات. ووجد الباحثون أن رقة الألمنيوم كانت العامل الحاسم. ففي الأهداف الأكثر سمكاً، يرتد الليزر عن السطح، مما يخلق موجة طويلة الأمد تدفع الجسيمات للأمام فقط. أما في هذا الهدف الرقيق، فيخترق الليزر الهدف، مما يقصر مدة الدفع ولكنه يسمح للجسيمات المتسارعة بالمرور عبر المادة والظهور على الجانب الآخر. وقد أكدت المحاكاة الحاسوبية هذه الصورة، حيث أظهرت كيف يخترق نبض الليزر الهدف وكيف تنهار الموجة المستقرة، ومع ذلك تنجح في تسريع عدد كبير من الجسيمات نحو الخلف.
يغير هذا الاكتشاف الإمكانيات العملية لاستخدام مصادر الأيونات المدفوعة بالليزر. ففي السابق، كان اتجاه الحزمة يشكل عقبة رئيسية، حيث كانت بصريات الليزر تعيق مسار أدوات التشخيص والتطبيقات المحتملة. ومن خلال تحقيق حزمة ثنائية الاتجاه، فتح الباحثون مساراً واضحاً لوضع أجهزة الكشف أو أجهزة العلاج خلف الهدف، بعيداً عن وهج الليزر. إن حقيقة أن الحزمة الموجودة في الخلف ليست عالية الطاقة فحسب، بل هي أيضاً خالية من الضجيج منخفض الطاقة، تشير إلى أنها قد تكون مصدراً عالي الكفاءة للتقنيات المستقبلية. وبينما كانت ذروة طاقة الجسيمات أقل قليلاً مما تم تحقيقه مع الأهداف الأكثر سمكاً في دراسات سابقة، فإن جودة واتجاهية الحزمة تمثل تقدماً كبيراً في التحكم في كيفية ولادة هذه الجسيمات وإلى أين تذهب. إن هذا العمل يعمق فهمنا لكيفية تفاعل الضوء والمادة عند السرعات القصوى، ويثبت أن سمك الهدف يمكن استخدامه كـ "قرص ضبط" دقيق للتحكم في اتجاه وجودة حزمة الجسيمات الناتجة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.