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

In de wereld van de hogenergetica hebben wetenschappers lang gezocht naar een manier om krachtige bundels van snel bewegende atomaire deeltjes te creëren met behulp van licht in plaats van massieve, kamergrote machines. Decennialang bestond de standaardmethode uit het afvuren van een intense laser op een vast doelwit, wat elektronen uit atomen stript en een positief geladen oppervlak achterlaat. Dit oppervlak fungeert dan als een gigantische, onzichtbare katapult die nabijgelegen ionen — geladen atomen — met ongelofelijke snelheden naar buiten slingert. Hoewel deze techniek, bekend als Target Normal Sheath Acceleration, succesvol is geweest, produceert het vaak een chaotische spray van deeltjes met een breed scala aan energieën, wat het moeilijk maakt om te gebruiken voor precieze taken zoals medische beeldvorming of kankerbehandeling. Onderzoekers zochten naar een manier om bundels te genereren waarbij bijna elk deeltje met exact dezelfde snelheid reist, een kwaliteit die bekend staat als "quasi-monoenergetisch", en om dat te doen op een manier die de bundel wegstuurt van de delicate laserapparatuur die hem creëert.

Een team onderzoekers aan het National Institute for Quantum Science and Technology in Japan en de Universiteit van Osaka heeft nu een belangrijke stap voorwaarts gezet in deze zoektocht. Zij maakten gebruik van een mechanisme genaamd Boosted Coulomb Explosion, een proces waarbij een laser een staande golf van licht creëert die elektronen uit een voorverwarmd plasma duwt, waardoor de resterende zware ionen in een compacte, energetische explosie naar buiten springen. In eerdere experimenten stuurde deze explosie deeltjes alleen naar de laser toe, wat problematisch is omdat de spiegels en lenzen die nodig zijn om de laser te focussen zich direct in dat pad bevinden en de instrumenten blokkeren die de bundel willen opvangen. Het nieuwe werk van het team laat echter zien dat ze, door een zeer dunne plaat aluminium te gebruiken die is gecoat met een laag zwaar water, deze explosie op een manier kunnen triggeren die een schone, hoogenergetische bundel deuteronen — atomen van zwaar waterstof — tegelijkertijd zowel aan de voor- als de achterkant van het doelwit naar buiten schiet.

Het experiment vond plaats bij de Laser for Fast Ignition Experiment facility, waar vier gesynchroniseerde laserpulsen werden gecombineerd om een enorme hoeveelheid energie op een minuscuul doelwit te leveren. Het doelwit zelf was een stuk aluminiumfolie van slechts 1,5 micrometer dik, ongeveer de breedte van een enkele bacterie, met een microscopische laag zwaar water aan één zijde aangebracht. Wanneer de laser het doelwit raakte, arriveerde een pre-puls van licht een paar biljoendelen van een seconde te vroeg om de laag zwaar water te veranderen in een hete, expanderende wolk van plasma. De hoofdlaserpuls volgde daarna en interageerde met deze wolk om de explosieve kracht te creëren. Omdat de aluminiumfolie zo dun was, kon de laser halverwege de interactie door het materiaal heen breken, een fenomeen dat relatieve transparantie wordt genoemd. Deze doorbraak maakte het mogelijk dat het versnellingsproces aan beide kanten van de folie plaatsvond, in plaats van alleen aan de zijde die naar de laser gericht was.

De resultaten waren opmerkelijk. Aan de zijde die naar de laser gericht was, mat het team een bundel deuteronen met een gemiddelde energie van 20,4 miljoen elektronvolt, met een zeer nauwe spreiding in snelheid. Aan de tegenovergestelde zijde, de achterkant van het doelwit, detecteerden ze een nog indrukwekkendere bundel van 23,8 miljoen elektronvolt. Wat de bundel aan de achterzijde bijzonder speciaal maakte, was de zuiverheid; deze miste de rommelige, laagenergetische achtergronddeeltjes die dergelijke metingen vaak verstoren. De onderzoekers kwamen tot de conclusie dat de dunheid van het aluminium de sleutelfactor was. In dikkere doelwitten kaatst de laser vanaf het oppervlak, wat een langdurige golf creëert die deeltjes alleen naar voren duwt. In dit dunne doelwit breekt de laser erdoorheen, wat de duur van de duw verkort, maar het maakt de versnelde deeltjes ook mogelijk om door het materiaal te gaan en aan de andere kant naar buiten te komen. Computersimulaties bevestigden dit beeld, waarbij werd getoond hoe de laserpuls het doelwit penetreert en hoe de staande golf instort, maar toch erin slaagt een aanzienlijk aantal deeltjes naar de achterzijde te versnellen.

Deze ontdekking verandert de praktische mogelijkheden voor het gebruik van lasergestuurde ionenbronnen. Voorheen was de richting van de bundel een grote hindernis, omdat de laseroptiek de weg blokkeerde voor diagnostiek en potentiële toepassingen. Door een bidirectionale bundel te realiseren, hebben de onderzoekers een helder pad gecreëerd voor het plaatsen van detectoren of behandelapparatuur achter het doelwit, weg van de schittering van de laser. Het feit dat de bundel aan de achterzijde niet alleen hoog in energie is, maar ook vrij is van laagenergetische ruis, suggereert dat het een zeer efficiënte bron kan zijn voor toekomstige technologieën. Hoewel de piekennenergie van de deeltjes iets lager was dan wat eerder met dikkere doelwitten werd bereikt, vertegenwoordigen de kwaliteit en de richting van de bundel een grote vooruitgang in de controle over hoe deze deeltjes worden geboren en waar ze naartoe gaan. Het werk verdiept het begrip van hoe licht en materie interageren bij extreme snelheden, en bewijst dat de dikte van een doelwit kan worden gebruikt als een precieze knop om de richting en kwaliteit van de resulterende deeltjesbundel te controleren.