Laser-driven Bidirectional Quasi-monoenergetic Deuterons Enabled by Target Transparency in Boosted Coulomb Explosion

In der Welt der Hochenergiephysik suchen Wissenschaftler schon lange nach einem Weg, leistungsstarke Strahlen schnell bewegender Atompartikel mithilfe von Licht anstelle von massiven, raumfüllenden Maschinen zu erzeugen. Jahrzehntelang bestand die Standardmethode darin, einen intensiven Laser auf ein festes Target abzufeuern, was Elektronen aus Atomen entfernt und eine positiv geladene Oberfläche hinterlässt. Diese Oberfläche fungiert dann wie eine riesige, unsichtbare Steinschleuder, die nahegelegene Ionen – geladene Atome – mit unglaublicher Geschwindigkeit herausschleudert. Obwohl diese Technik, bekannt als Target Normal Sheath Acceleration, erfolgreich war, erzeugt sie oft eine chaotische Wolke von Partikeln mit einem breiten Spektrum an Energien, was sie für präzise Aufgaben wie die medizinische Bildgebung oder die Krebstherapie schwierig macht. Forscher suchten nach einem Weg, um Strahlen zu erzeugen, bei denen fast jedes Teilchen exakt dieselbe Geschwindigkeit hat – eine Eigenschaft, die als „quasi-monoenergetisch“ bezeichnet wird – und dies auf eine Weise zu tun, die es ermöglicht, den Strahl von der empfindlichen Laserequipment-Ausstattung weg zu lenken, die ihn erzeugt.

Ein Forschungsteam am National Institute for Quantum Science and Technology in Japan und der Universität Osaka hat nun einen bedeutenden Schritt vorwärts in diesem Bestreben demonstriert. Sie nutzten einen Mechanismus namens Boosted Coulomb Explosion, einen Prozess, bei dem ein Laser eine stehende Lichtwelle erzeugt, die Elektronen aus einem vorgeheizten Plasma herausdrückt, was dazu führt, dass die verbleibenden schweren Ionen in einem dichten, energetischen Stoß nach außen explodieren. In früheren Experimenten schickte diese Explosion die Partikel nur in Richtung des Lasers, was problematisch ist, da die Spiegel und Linsen, die benötigt werden, um den Laser zu fokussieren, genau in diesem Pfad liegen und Instrumente blockieren, die den Strahl auffangen wollen. Die neue Arbeit des Teams zeigt jedoch, dass sie durch die Verwendung einer sehr dünnen Aluminiumfolie, die mit einer Schicht aus schwerem Wasser beschichtet ist, diesen Explosionsprozess so auslösen können, dass ein sauberer, hochenergetischer Deuteronenstrahl – Atome des schweren Wasserstoffs – gleichzeitig aus der Vorder- und Rückseite des Targets geschossen wird.

Das Experiment fand in der Laser for Fast Ignition Experiment-Anlage statt, wo vier synchronisierte Laserpulse kombiniert wurden, um einen massiven Energiestoß auf ein winziges Target zu liefern. Das Target selbst war ein Stück Aluminiumfolie, nur 1,5 Mikrometer dick – etwa so breit wie ein einzelnes Bakterium – mit einer mikroskopischen Schicht aus schwerem Wasser, die auf einer Seite aufgetragen war. Als der Laser auf das Target traf, traf ein Vorpuls des Lichts einige Billionstel Sekunde zu früh ein, um die Schicht aus schwerem Wasser in eine heiße, expandierende Plasmawolke zu verwandeln. Der Hauptlaserpuls folgte dann und interagierte mit dieser Wolke, um die explosive Kraft zu erzeugen. Weil die Aluminiumfolie so dünn war, konnte der Laser während der Interaktion teilweise hindurchschlagen, ein Phänomen, das als relativistische Transparenz bekannt ist. Dieser Durchbruch ermöglichte es, dass der Beschleunigungsprozess auf beiden Seiten der Folie stattfand, anstatt nur auf der Seite, die dem Laser zugewandt war.

Die Ergebnisse waren beeindruckend. Auf der dem Laser zugewandten Seite maß das Team einen Deuteronenstrahl mit einer durchschnittlichen Energie von 20,4 Millionen Elektronenvolt und einer sehr engen Geschwindigkeitsverteilung. Auf der gegenüberliegenden Seite, der Rückseite des Targets, detektierten sie einen noch beeindruckenderen Strahl von 23,8 Millionen Elektronenvolt. Was den Rückseitenstrahl besonders hervorhebt, war seine Reinheit; ihm fehlten die unordentlichen, niederenergetischen Hintergrundpartikel, die solche Messungen oft stören. Die Forscher fanden heraus, dass die Dünne des Aluminiums der entscheidende Faktor war. In dickeren Targets prallt der Laser von der Oberfläche ab und erzeugt eine langanhaltende Welle, die Partikel nur nach vorne drückt. In diesem dünnen Target bricht der Laser hindurch, was die Dauer des „Schubs“ verkürzt, aber es ermöglicht den beschleunigten Partikeln, das Material zu durchqueren und auf der anderen Seite auszutreten. Computersimulationen bestätigten dieses Bild und zeigten, wie der Laserpuls in das Target eindringt und wie die stehende Welle kollabiert und dennoch schafft, eine signifikante Anzahl von Partikeln nach hinten zu beschleunigen.

Diese Entdeckung verändert die praktischen Möglichkeiten für die Nutzung lasergetriebener Ionenquellen. Zuvor war die Richtung des Strahls ein großes Hindernis, da die Laseroptik den Pfad für Diagnostik und potenzielle Anwendungen blockierte. Durch das Erreichen eines bidirektionalen Strahls haben die Forscher einen freien Pfad geschaffen, um Detektoren oder Behandlungsgeräte hinter dem Target, fernab vom Blendlicht des Lasers, zu platzieren. Die Tatsache, dass der Rückseitenstrahl nicht nur eine hohe Energie aufweist, sondern auch frei von niederenergetischem Rauschen ist, deutet darauf hin, dass er eine hocheffiziente Quelle für zukünftige Technologien sein könnte. Während die Spitzenenergie der Partikel etwas niedriger war als die, die in früheren Studien mit dickeren Targets erreicht wurde, stellen die Qualität und Richtungsstabilität des Strahls einen großen Fortschritt in der Kontrolle darüber dar, wie diese Partikel geboren werden und wohin sie gehen. Die Arbeit vertieft das Verständnis darüber, wie Licht und Materie bei extremen Geschwindigkeiten interagieren, und beweist, dass die Dicke eines Targets als präziser Regler genutzt werden kann, um die Richtung und Qualität des resultierenden Partikelstrahls zu steuern.