Ускорители заряженных частиц давно перестали быть исключительно научными приборами. На сегодня в мире насчитывается более 30 тысяч ускорителей, и основная их часть используется для лучевой терапии рака, стерилизации и производства полупроводниковых материалов. Например, чтобы превратить пластину из чистого кремния в микрочип, нужно внедрить атомы примесей в строго отведенные места, и ускоритель для этого подходит как нельзя лучше. Чем компактнее, надежнее и дешевле ускорители, тем выгоднее их использовать и тем больше можно найти для них новых задач.
В первых ускорителях с помощью высокого напряжения создавалось мощное электростатическое поле, которое подхватывает и разгоняет заряженные частицы. Но генератор, способный выдать свыше миллиона вольт, — прибор сложный, дорогой и тяжелый в обращении. Такое напряжение может создать электрический разряд в сторону других предметов на расстоянии свыше метра. Сегодня вместо постоянного напряжения частицы разгоняют, много раз прикладывая к ним переменное электрическое поле.
Так работают все современные ускорители, но и этот метод уже достиг своего предела. Чтобы развивать такие приборы дальше, многие физики изучают возможность ускорения заряженных частиц тем полем, которое возникает при взаимодействии лазерного излучения с веществом. Лазерные импульсы могут концентрировать энергию в очень коротких вспышках и тем самым обеспечивать экстремально высокую мощность без строительства сложных установок.
Чтобы разогнать частицы (протоны, например) при помощи лазера, физики в последние десятилетия направляют лазерные импульсы на тонкую фольгу. При этом электромагнитное поле разгоняет часть электронов внутри световой волны, в результате чего они пролетает фольгу насквозь, создавая в материале два разноименно заряженных участка. А где есть две заряженные с противоположным знаком области, там есть и электрическое поле, которое затем может подхватить частицы и придать им необходимый импульс.
Читайте также: Ускоритель «Нуклотрон»: зачем разгоняют тяжелые ионы
Предыдущие эксперименты с лазерными лучами и фольгой показали, что так можно выбить из материала протоны с энергией до 8 МэВ. Это соответствует той энергии, которую получил бы электрон, пролетев между точками с разностью потенциалов в 8 миллионов вольт. Этого уже достаточно для многих случаев применения ускорителей на практике, но мало для медицинских ускорителей. Например, для протонной терапии рака обычно используют частицы с энергией свыше сотни МэВ.
И именно для прицельного выжигания опухолей актуально создавать возможно более дешевые ускорители. Дело в том, что сейчас для этих целей приходится строить сложные синхротроны массой в сотни тонн, поэтому в мире насчитывается всего около полусотни мест, где можно проводить протонную терапию (несколько из них есть и в России). Естественно, что чем такой прибор будет дешевле, тем больше их можно построить и тем больше жизней при этом можно будет спасти.
Новая публикация в Communications Physics описывает несколько модифицированный подход: вместо одного мощного импульса с энергией 1,1 джоуля шведские физики предложили взять два импульса по 0,55 джоуля каждый. На практике это означает, что один импульс поделили на два при помощи полупрозрачного зеркала. Два луча падают на фольгу под некоторым углом, и, как показало моделирование, это существенно повышает энергию вылетевших протонов без дополнительных затрат. По расчетам ученых, схема с двумя лучами увеличивает максимальную энергию протонов до 14 МэВ.
Но для медицины этого по-прежнему мало. У получаемых при взаимодействии лазерного излучения протонов также слишком широкий спектр, энергия частиц распределена между ними неравномерно, и какие-то движутся заметно медленнее прочих. Но доля частиц, получивших энергию свыше 1 МэВ, выросла пятикратно. Это позволяет рассчитывать на дальнейший прогресс в этой области. Исследователи подчеркивают, что лазерный пучок можно делить и на большее число частей. Возможно, правильный подбор конфигурации пучков позволит добиться еще лучших результатов.
Алексей Тимошенко