سوخت شتاب‌دهنده لیزر پلاسمای آمریکا با ۱۰۰ برابر افزایش راندمان برای تحقیقات همجوشی

دانشمندان آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC به یک نقطه عطف قابل توجه در فناوری شتاب دهنده لیزری پلاسما (LPA) دست یافته‌اند.

کد خبر: ۱۲۲۸۹۴۶

يکشنبه - ۲۸ بهمن ۱۴۰۳ / February 16, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC به یک نقطه عطف قابل توجه در فناوری شتاب دهنده لیزری پلاسما (LPA) دست یافته‌اند.

آنها با استفاده از نیروی یک جریان آب ساده، پرتو‌های پروتونی سریع و درخشان تولید کرده‌اند.

این پیشرفت به چالش‌های طولانی مدت می‌پردازد و فناوری LPA را به برنامه‌های کاربردی دنیای واقعی نزدیک می‌کند.

زیگفرید گلنزر، مدیر بخش علوم چگالی انرژی بالا در آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC گفت: «این نتایج هیجان انگیز راه را برای کاربرد‌های جدید لیزر‌های پرقدرت نسبیتی برای کاربرد‌های پزشکی، تحقیقات شتاب دهنده و همجوشی اینرسی هموار می‌کند.

پرداختن به چالش‌های LPA

شتاب‌دهنده‌های سنتی ذرات، مانند سنکروترون‌ها، از الکترومغناطیس برای تولید این پرتو‌ها استفاده می‌کنند. با این حال، اندازه عظیم آنها استفاده از آنها را در بسیاری از تنظیمات محدود می‌کند.

LPA‌ها یک جایگزین فشرده و مقرون به صرفه ارائه می‌دهند، اما با چالش‌های متعددی نیز رو‌به‌رو هستند.

محققان توضیح دادند: یک چالش ناشی از لیزر با شدت بالا است که اهداف را پس از هر پالس از بین می‌برد و برای هر شلیک به یک هدف جدید نیاز دارد.

مسئله دیگر واگرایی پرتو‌ها است - پرتو‌های پروتون تولید شده توسط LPA‌ها معمولاً به جای حفظ یک فوکوس باریک مانند یک نورافکن پخش می‌شوند.

موفقیت جدید با هدف حل این مسائل است. این پیشروی با استفاده از یک جریان نازک آب به جای هدف جامد ممکن شد.

محققان افزودند: «آن‌ها به جای استفاده از یک هدف جامد سنتی، ورقه نازکی از آب را معرفی کردند - یک جریان خودبازسازی که پس از هر شلیک دوباره پر می‌شود.

فواید غیرمنتظره جریان آب

این ورق آب خودبازسازی نه تنها نیاز به جایگزینی هدف را پس از هر پالس لیزر از بین می‌برد، بلکه به طور غیرمنتظره‌ای ویژگی‌های پرتو پروتون را افزایش می‌دهد.

هنگامی که لیزر با شدت بالا به ورقه آب برخورد کرد، آب تبخیر شده حاصل، ابر بخاری را تشکیل داد که با پرتو پروتون تعامل داشت.

این برهمکنش میدان‌های مغناطیسی ایجاد کرد که به طور طبیعی پرتو را متمرکز می‌کرد. این منجر به پرتو پروتون روشن‌تر و محکم‌تر شد.

در مقایسه با آزمایشات با استفاده از اهداف جامد، ورق آب واگرایی پرتو را با یک مرتبه قدر کاهش داد و راندمان را با ضریب صد افزایش داد. پرتو پروتون حاصل ثبات قابل توجهی از خود نشان داد، زیرا به طور مداوم با پنج پالس در ثانیه در صد‌ها شات لیزری کار می‌کرد.

گریفین گلن، دانشجوی دکترای دانشگاه استنفورد و نویسنده دوم مقاله، گفت: «این تأثیر کاملاً غیرمنتظره بود.

علاوه بر این، پرتو معادل ۴۰ Gray را با هر شلیک ارسال می‌کند، که دوز استاندارد تشعشع مورد استفاده در درمان‌های پروتونی است، موفقیتی که هرگز با LPAs با این سرعت تکرار به دست نیامده بود.

این با استفاده از یک سیستم لیزر کم انرژی به راحتی در دسترس انجام شد که گامی قابل توجه به سمت کاربرد‌های عملی را نشان داد.

منجر به تغییر پارادایم

گلنزر نتیجه گرفت: این کار کل پارادایم را تغییر داده است.

در نهایت، ما دیگر کاملاً به شبیه سازی متکی نیستیم. اکنون می‌توانیم فیزیک را از دیدگاه تجربی هدایت کنیم، شدت لیزر، چگالی هدف و فشار‌های محیطی مختلف را آزمایش کنیم.»

پیش از این، محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) به یک نقطه عطف قابل توجه در شتاب لیزر-پلاسما دست یافته بودند.

آنها با موفقیت الکترون‌ها را به انرژی ۱۰ میلیارد الکترون ولت (۱۰ گیگا ولت) در فاصله ۳۰ سانتی متری (۱۱.۸ اینچ) شتاب دادند.