دانشمندان گروه فیزیک عمومی و فرآیندهای موج دانشکده فیزیک دانشگاه ایالتی مسکو رویکردی انقلابی برای مدیریت انرژی پرتوهای الکترونی در شتابدهندههای لیزر-پلاسما ارائه دادهاند. این کار که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است ، فناوری جدیدی را توصیف میکند که امکان پیکربندی مجدد پویای انرژی الکترونها را با دقت بالا فراهم میکند. این کشف به پزشکی و صنعت کمک خواهد کرد.
این مطالعه با حمایت بنیاد علوم روسیه به شماره 22-79-10087 بر روی تجهیزات خریداری شده با حمایت پروژه ملی «علوم و دانشگاهها» انجام شد.
پرتوهای الکترونی پرانرژی در پزشکی (به عنوان مثال، برای پرتودرمانی)، در علم (در سینکروترونها و لیزرهای اشعه ایکس الکترون آزاد) و در صنعت استفاده میشوند. با این حال، شتابدهندههای سنتی مبتنی بر تشدیدگرهای فرکانس رادیویی، فضای بسیار بزرگی را اشغال میکنند (مانند شتابدهنده خطی سه کیلومتری در استنفورد).
راه حل این مشکل، شتابدهندههای جدید الکترون لیزری-پلاسما است که دستیابی به انرژیهای مگاالکترونولت الکترونها را در پلاسمایی به طول حدود صد میکرومتر و انرژیهایی در واحدهای گیگاالکترونولت را در کانال پلاسمایی به طول چند سانتیمتر امکانپذیر میسازد. این فشردگی به این دلیل است که پلاسما، به عنوان یک محیط یونیزه شده، میتواند میدانهای الکتریکی عظیمی را تحمل کند - هزاران برابر بیشتر از شتابدهندههای سنتی. چنین میدانهایی توسط یک پالس لیزر فوق کوتاه ایجاد میشوند: یک پالس لیزر قدرتمند فمتوثانیهای، که در پلاسما منتشر میشود، الکترونها را از هم جدا میکند و موجی از چگالی الکترون ایجاد میکند (مانند کشتیای که ردی از خود روی آب به جا میگذارد). در این موج، میدانهای الکتریکی قوی (تا ۱۰۰ گیگاوات بر متر) ایجاد میشوند که الکترونها را تا سرعتهای نسبیتی شتاب میدهند.
اکاترینا استارودوبتسوا، دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده فیزیک دانشگاه دولتی مسکو ، افزود: «این مانند موجسواری الکترون است: لیزر یک موج پلاسما ایجاد میکند و الکترونها آن را میگیرند و با سرعتهای نسبیتی شتاب میگیرند.»
دانشمندان به صورت تجربی در یک آزمایش عددی، یک روش اصلی برای کنترل طول شتاب الکترون در پلاسما را پیادهسازی و بررسی کردهاند - معلوم شد که میتوان چنین فرآیندی را به طور ناگهانی قطع کرد. برای این منظور، از یک پالس لیزر اضافی برای ایجاد موج ضربهای در جت گاز، عمود بر جهت شتاب، استفاده میشود. پشت جبهه موج ضربهای، غلظت پلاسما به شدت کاهش مییابد و فرآیند شتابگیری متوقف میشود. این امر امکان تشکیل یک پالس الکترونی با واگرایی زاویهای کوچک و طیف انرژی باریک را فراهم میکند و همچنین از افت کیفیت پرتو به دلیل اثر ناهمفازسازی جلوگیری میکند.
ایوان سیمبالوف، کارمند گروه فیزیک عمومی و فرآیندهای موج در دانشکده فیزیک دانشگاه دولتی مسکو، اظهار داشت: «روش ما برای اولین بار به ما این امکان را میدهد که نه تنها الکترونها را شتاب دهیم، بلکه انرژی آنها را مستقیماً در طول آزمایش به طور دقیق «تنظیم» کنیم. این امر راه را برای ایجاد منابع ذرات کنترلشده اساساً جدید باز میکند. »
این آزمایشها بر روی یک مجتمع لیزر فمتوثانیه تراوات فشرده که در ساختمان اپتیک غیرخطی دانشگاه دولتی مسکو کار میکند، انجام شد. نویسندگان این اثر برای اولین بار پیادهسازی تجربی یک پرتو الکترونی قابل تنظیم انرژی در محدوده ۶ تا ۱۲ مگا الکترون ولت با طیف باریک و واگرایی زاویهای کم را نشان دادند. مدلسازی عددی با استفاده از روش ذرات بزرگ، امکان شناسایی و توضیح اثرات کلیدی تعیینکننده انرژی و طیف زاویهای الکترونها را فراهم کرد. این کار با همکاری نزدیک دانشمندان NRNU MEPhI و IPM RAS انجام شد.
این فناوری جدید، چشماندازهای کاملاً جدیدی را برای موارد زیر فراهم میکند: پزشکی (پرتودرمانی تطبیقی با تنظیم دقیق با عمق تومور)؛ منابع اشعه ایکس (تولید تابش تک رنگ با انرژی کنترل شده)؛ پراش فمتوثانیه (مطالعه فرآیندهای فوق سریع در مواد با انرژی کاوش متغیر).
آندری ساولیف-تروفیموف، استاد گروه فیزیک عمومی و فرآیندهای موج در دانشکده فیزیک دانشگاه دولتی مسکو، خاطرنشان کرد: «روش کنترل پرتو الکترونی که ما توسعه دادهایم، نه تنها میتواند برای کارهای عملی با استفاده از سیستمهای لیزر رومیزی، بلکه برای تحقیقات بنیادی در مورد تاسیسات پتاوات (به عنوان مثال، تاسیسات PEARL در IAP RAS) و تاسیسات علمی بزرگ (به عنوان مثال، XCELS - مرکز مطالعات نور شدید اگزاوات، که قرار است در مرکز ملی فیزیک و ریاضیات در ساروف ایجاد شود) نیز مورد استفاده قرار گیرد . »
برنامههای تحقیقاتی آینده شامل مقیاسبندی این فناوری برای پیادهسازی تنظیم انرژی پرتو الکترونی در محدوده بسیار بزرگتری - در واحدهایی تا دهها مگا الکترون ولت - و همچنین بهبود کیفیت پرتو - دستیابی به همراستایی خوب پرتو و بار به اندازه کافی بزرگ است که گامی مهم در جهت ادغام سیستم در تجهیزات صنعتی و پزشکی است.
شما میتوانید برای تحصیل در روسیه یا تحصیل در مسکو و اخذ پذیرش از دانشگاه های روسیه و برای استفاده از خدمات مشاوره یونی نکست وارد سایت ما شوید و اطلاعات خود را برای ما ارسال کنید .
