پژوهشگران انگلیسی کشف کرده‌اند که کیفیت باریکه‌های پروتونی شتاب داده شده با لیزر را می‌توان با کنترل قطبش نور لیزر بهبود بخشید. این یافته می‌تواند به فیزیکدان‌ها برای تولید منابع فشرده از باریکه‌های پروتونی جهت استفاده در پزشکی، لیتوگرافی یا حتی اخترفیزیک کمک کند. 

ایجاد سوراخ: شبیه سازی یک پالس لیزر که روزنه‌ای پلاسمایی در لایه‌ی نازک ایجاد کرده است

باریکه‌های پروتونی و سایر یون‌های مثبت کاربردهای وسیعی در فیزیک ذرات، پردازش مواد و پزشکی دارند. به عنوان مثال، پرتو درمانی با پروتون برای نابودی برخی تومورهای سرطانی با کمترین تخریب بافت‌های سالم مجاور به کار می‌رود. اما در عمل استفاده‌ از باریکه‌های یونی و پروتونی به واسطه‌ی نیاز به شتاب‌دهنده‌های عظیم و پرهزینه برای تولید باریکه‌های با ‌‌کیفیت، با مشکلاتی مواجه است.

روش دیگر استفاده از شتابدهنده‌های لیزر-پلاسما است که در آن پالس پر‌قدرت لیزر به سمت هدف شلیک می‌شود. این امر ایجاد پلاسما کرده و الکترون‌ها را از یون‌ها جدا می‌کند. به این ترتیب میدان‌های الکتریکی بسیار بزرگی تولید می‌شود که قادرند پروتون‌ها، یون‌ها و الکترون‌ها را تا انرژی‌های خیلی بالا شتاب دهند.  

فرآیند پیچیده

اما آنطور که فلیکس مکنروس Felix Mackenroth از موسسه مکس پلانک برای فیزیک سیستم‌های پیچیده در درسدن آلمان می‌گوید فرآیند بسیار چالش برانگیز است: لیزر در مقایسه با شتابدهنده‌های متداول، باریکه‌های یونیِ کم انرژی تر و نامتمرکزتری ایجاد می‌کند.

سابقاً در یک تحقیق، پاول مک‌کنا Paul McKenna و همکارانش از دانشگاه استراتکلاید همراه با پژوهشگرانی از دانشگاه کویینز در بلفاست، با استفاده از لیزر جِمینی Gemini متعلق به آزمایشگاه STFC راترفورد اپلتون در آکسفوردشایر، به بررسی شتابدهی لیزری الکترون‌ها در هدفی به صورت یک ورقه‌ی بسیار نازک از آلومینیوم پرداخته بودند. ‌در آنجا پرتوی پرقدرت لیزر جِمینی به ورقه می‌تابد و آن را طوری گرم می‌کند که تبدیل به پلاسما می‌شود. این دایره‌ی پلاسمایی در لایه‌ی فویل نسبت به پالس لیزر شفاف است و محققان توانستند نشان دهند که پالس از دایره‌ی پلاسمایی، درست مثل یک روزنه‌ی معمولی پراکنده می‌شود. به علاوه، آن‌ها دریافتند که ‌طرح الکترون‌هایی که از لایه خارج می‌شود به قطبش نور لیزر فرودی بستگی دارد.

بخارآب   

در تحقیق اخیر، گروه روش مشابهی را برای شتابدهی پروتون به کار گرفتند. با وجود اینکه آزمایش آن‌ها در محفظه خلاء انجام می‌شود، بخار آب به طور طبیعی روی ورقه می‌نشیند و منبعی برای پروتون‌ها ایجاد می‌کند. این گروه می‌خواهد بداند آیا ساختار باریکه‌ی پروتونی حاصل متاثر از قطبش نور خواهد بود یا خیر.

در آزمایش جداگانه‌ای، پژوهشگران به لایه‌هایی از آلومینیوم پالس‌های پتاواتی از نور لیزر جِمینی با قطبش خطی، بیضوی و دایروی تاباندند. طرح پروتون‌های خارج شده در انرژی های مختلف کاملا متفاوت بود: به عنوان مثال، پروتون‌های کم انرژی‌تر به ازاء همه‌ی قطبش‌ها در وسط متمرکز بودند اما پخش شدگی برای نورهای قطبیده‌ی دایروی و بیضوی خیلی کمتر از خطی بود. پروتون‌های پر‌انرژی‌تری که نور قطبیده خطی به وجود می‌آورد، یک طرح دو تکه‌ای تشکیل می‌دادند در حالیکه نورهای قطبیده خطی و دایروی به طرح‌هایی با چگالی حلقوی منجر می‌شدند. به گفته‌ی محققان طرح‌های مشاهده شده در آزمایش  بسیار به شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نزدیک است و انحرافات ناچیز آن را کاملاً می‌توان با خطاهای آزمایش توجیه کرد.

سیاه چاله‌ها  

مک‌کنا توضیح می‌دهد که هدف گروه «پیشبرد تحقیق برای دستیابی به روش‌‌های کنترل روزنه‌های پلاسمایی نسبی» است. این شامل کنترل قطبش و همچنین کنترل تغییرات شدت پروفایل پالس لیزر اعمالی است. با وجود اینکه تحقیق فعلا در مراحل آغازین قرار دارد، مک کنا معتقد است که سرانجام می‌تواند کاربردهایی برای کنترل رسوب دوز در پروتون-پرتو درمانی، لیتو گرافی یا حتی مدل‌سازی اخترفیزیک داشته باشد. او می‌گوید «ما به دنبال کاربردهای احتمالی در سایر حوزه‌های علوم از جمله مدل‌های تجربی در جت‌های پلاسمایی نسبی در اخترفیزیک هستیم که با چرخش‌ دیسک‌های برافزایشی سیاه‌چاله‌ای به وجود می‌آید».   

این تحقیق در Nature Communications توصیف شده است.

منبع

Laser polarization boosts quality of proton beams