Laser-driven Bidirectional Quasi-monoenergetic Deuterons Enabled by Target Transparency in Boosted Coulomb Explosion
यह शोध पत्र एक सापेक्षतावादी पारदर्शी पतले एल्युमीनियम लक्ष्य में बूस्टेड कूलम्ब एक्सप्लोजन तंत्र के माध्यम से त्वरित द्वि-दिशीय अर्ध-एकल-ऊर्जा वाले ड्यूटेरॉन (20.4 MeV और 23.8 MeV) के प्रयोगात्मक अवलोकन की रिपोर्ट करता है, जिससे इस लेजर-ड्रिवन आयन त्वरण योजना के संभावित अनुप्रयोगों की पुष्टि और विस्तार होता है।
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उच्च-ऊर्जा भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से विशाल, कमरे के आकार की मशीनों के बजाय प्रकाश का उपयोग करके तेज़ गति वाले परमाणु कणों की शक्तिशाली किरणें बनाने का तरीका खोज रहे हैं। दशकों तक, मानक विधि में एक ठोस लक्ष्य (टारगेट) पर एक तीव्र लेजर दागना शामिल था, जो परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को निकाल देता था और पीछे एक धनावेशित सतह छोड़ देता था। यह सतह एक विशाल, अदृश्य गोफन (स्लिंगशॉट) की तरह कार्य करती थी, जो पास के आयनों—आवेशित परमाणुओं—को अविश्वसनीय गति से बाहर की ओर उछाल देती थी। हालांकि यह तकनीक, जिसे 'टारगेट नॉर्मल शीथ एक्सीलरेशन' कहा जाता है, सफल रही है, लेकिन यह अक्सर कणों का एक अराजक छिड़काव पैदा करती है जिसमें ऊर्जा की एक विस्तृत श्रृंखला होती है, जिससे उन्हें चिकित्सा इमेजिंग या कैंसर उपचार जैसे सटीक कार्यों के लिए उपयोग करना कठिन हो जाता है। शोधकर्ता एक ऐसी विधि खोजने की तलाश में थे जिससे ऐसी किरणें उत्पन्न की जा सकें जहाँ लगभग प्रत्येक कण एक ही सटीक गति से यात्रा करता है, जिसे "क्वासी-मोनोएनर्जेटिक" (quasi-monoenergetic) गुण कहा जाता है, और ऐसा करने के लिए कि इस किरण को उस नाजुक लेजर उपकरण से दूर निर्देशित किया जा सके जो इसे बनाता है।
जापान के नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर क्वांटम साइंस एंड टेक्नोलॉजी और ओसाका विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस खोज में एक महत्वपूर्ण प्रगति प्रदर्शित की है। उन्होंने 'बूस्टेड कोलम एक्सप्लोजन' (Boosted Coulomb Explosion) नामक एक तंत्र का उपयोग किया, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ एक लेजर प्रकाश की एक खड़ी तरंग (स्टैंडिंग वेव) बनाता है जो पहले से गर्म किए गए प्लाज्मा से इलेक्ट्रॉनों को बाहर धकेलता है, जिससे शेष भारी आयन एक सघन, ऊर्जावान विस्फोट के साथ बाहर निकल आते हैं। पिछले प्रयोगों में, यह विस्फोट कणों को केवल लेजर की दिशा में ही फेंकता था, जो एक समस्या है क्योंकि लेजर को केंद्रित करने के लिए आवश्यक दर्पण और लेंस उसी पथ में होते हैं, जो किरण को पकड़ने का प्रयास करने वाले किसी भी उपकरण को बाधित करते हैं। हालांकि, टीम के नए काम से पता चलता है कि भारी जल (हेवी वॉटर) की एक परत से लेपित एल्युमीनियम की एक बहुत पतली शीट का उपयोग करके, वे इस विस्फोट को इस तरह से सक्रिय कर सकते हैं जो ड्यूटेरॉन्स (ड्यूटेरियम के परमाणु)—भारी हाइड्रोजन के परमाणु—की एक स्वच्छ, उच्च-ऊर्जा किरण को एक साथ लक्ष्य के सामने और पीछे दोनों तरफ से बाहर की ओर छोड़ता है।
यह प्रयोग 'लेजर फॉर फास्ट इग्निशन एक्सपेरिमेंट' सुविधा में आयोजित किया गया था, जहाँ चार सिंक्रोनाइज़्ड लेजर पल्स को एक छोटे से लक्ष्य पर ऊर्जा का एक विशाल विस्फोट पहुँचाने के लिए संयोजित किया गया था। लक्ष्य स्वयं एल्युमीनियम फॉयल का एक टुकड़ा था जो केवल 1.5 माइक्रोमीटर मोटा था, जो लगभग एक एकल बैक्टीरिया की चौड़ाई के बराबर है, जिसके एक तरफ भारी जल की एक सूक्ष्म परत जमा की गई थी। जब लेजर लक्ष्य से टकराया, तो प्रकाश का एक प्री-पल्स (पूर्व-स्पंदन) कुछ ट्रिलियनवें सेकंड पहले पहुँचा ताकि भारी जल की परत को एक गर्म, फैलते हुए प्लाज्मा के बादल में बदला जा सके। मुख्य लेजर पल्स इसके बाद आया, जिसने इस बादल के साथ परस्पर क्रिया की और विस्फोटक बल उत्पन्न किया। क्योंकि एल्युमीनियम फॉयल बहुत पतला था, लेजर इस परस्पर क्रिया के बीच में ही इसके माध्यम से पार होने में सक्षम रहा, जो 'रिलेटिविस्टिक ट्रांसपेरेंसी' (सापेक्षिक पारदर्शिता) नामक एक घटना है। इस सफलता ने इस प्रक्रिया को फॉयल के दोनों ओर होने दिया, न कि केवल लेजर की ओर वाले पक्ष पर।
परिणाम चौंकाने वाले थे। लेजर की ओर वाले पक्ष पर, टीम ने 20.4 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की औसत ऊर्जा के साथ ड्यूटेरॉन्स की एक किरण मापी, जिसमें गति का प्रसार बहुत कम था। दूसरे पक्ष पर, लक्ष्य के पिछले हिस्से पर, उन्होंने और भी प्रभावशाली 23.8 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की किरण का पता लगाया। जो चीज़ पिछले हिस्से की किरण को विशेष रूप से खास बनाती थी, वह थी उसकी शुद्धता; इसमें वे अव्यवस्थित, कम-ऊर्जा वाले बैकग्राउंड कण नहीं थे जो अक्सर ऐसे मापों को गंदा कर देते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि एल्युमीनियम का पतला होना ही मुख्य कारक था। मोटे लक्ष्यों में, लेजर सतह से टकराकर वापस लौट जाता है, जिससे एक लंबे समय तक चलने वाली लहर बनती है जो कणों को केवल आगे की ओर धकेलती है। इस पतले लक्ष्य में, लेजर पार हो जाता है, जिससे धक्का देने की अवधि तो कम हो जाती है लेकिन यह कणों को सामग्री से गुजरने और दूसरी ओर से निकलने की अनुमति देता है। कंप्यूटर सिमुलेशन ने इस चित्र की पुष्टि की, जो दिखाया कि कैसे लेजर पल्स लक्ष्य में प्रवेश करता है और कैसे खड़ी तरंग (स्टैंडिंग वेव) ढह जाती है, फिर भी पीछे की ओर बड़ी संख्या में कणों को त्वरित करने में सफल रहती है।
यह खोज लेजर-संचालित आयन स्रोतों के उपयोग के लिए व्यावहारिक संभावनाओं को बदल देती है। पहले, किरण की दिशा एक बड़ी बाधा थी, क्योंकि लेजर ऑप्टिक्स डायग्नोस्टिक्स और संभावित अनुप्रयोगों के पथ को अवरुद्ध कर देते थे। एक द्विदिश (bidirectional) किरण प्राप्त करके, शोधकर्ताओं ने लक्ष्य के पीछे डिटेक्टर या उपचार उपकरणों को रखने के लिए एक स्पष्ट मार्ग खोल दिया है, जो लेजर की चमक से दूर हैं। तथ्य यह है कि पिछला हिस्सा की किरण न केवल उच्च ऊर्जा वाली है बल्कि कम-ऊर्जा वाले शोर से भी मुक्त है, यह सुझाव देता है कि यह भविष्य की तकनीकों के लिए एक अत्यधिक कुशल स्रोत हो सकता है। हालांकि कणों की पीक एनर्जी पिछले अध्ययनों में मोटे लक्ष्यों के साथ प्राप्त ऊर्जा से थोड़ी कम थी, लेकिन किरण की गुणवत्ता और दिशात्मकता कणों के जन्म और उनके जाने के तरीके को नियंत्रित करने में एक बड़ी प्रगति का प्रतिनिधित्व करती है। यह कार्य इस समझ को गहरा करता है कि कैसे प्रकाश और पदार्थ अत्यधिक गति पर परस्पर क्रिया करते हैं, यह सिद्ध करता है कि लक्ष्य की मोटाई का उपयोग परिणामी कण किरण की दिशा और गुणवत्ता को नियंत्रित करने के लिए एक सटीक डायल के रूप में किया जा सकता है।
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