DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56667-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39929819
تاريخ النشر: 2025-02-10
المؤلف: Yinren Shou وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات الليزر والبلازما والتشخيصات
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يوضح المؤلفون توليد البروتونات بطاقة تتجاوز 110 ميغا إلكترون فولت باستخدام ليزر فمتوثاني عالي الكثافة. من خلال تعريض غشاء بوليمر نانومتري مقيد التوصيل، تمكنوا بنجاح من إنشاء مجال كهربائي طولي أقوى من \(10^{13} \, \text{Vm}^{-1}\)، مما يمكّن تسريع الجسيمات إلى مستويات جيغا إلكترون فولت على مسافات دون المليمتر. تعالج هذه التطورات القيد الحرج للطاقة المنخفضة للبروتونات، والتي أعاقت التطبيقات مثل تصوير البروتون والعلاج الإشعاعي الفلاش.
تغلب الباحثون على تحديات كبيرة تتعلق بتباين الليزر ودقة التوجيه، مما سمح بالاستخدام الفعال للأغشية النانوية ذات الحجم المخفض. ساعدت التوصيل المقيد للإلكترونات الباردة داخل الغشاء في الحفاظ على هيكل تسريع طويل، مدعومًا بحقل كولومبي قوي تم إنشاؤه بواسطة أيونات الكربون. لا يحقق هذا العمل زيادة ملحوظة في طاقة البروتون فحسب، بل يمهد أيضًا الطريق لمزيد من التحسينات من خلال تطوير عمليات تسريع قابلة للتحكم باستخدام أهداف مصممة نانوية أو ميكروية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام نظام ليزر Ti:sapphire بقدرة 4 بيكووات في مركز علوم الليزر النسبية (CoReLS) لتسريع البروتونات. تضمنت إعدادات الليزر نظام موجات متقاطعة (XPW) ومرحلة تضخيم نبضات ضوئية بارامترية مشوشة (OPCPA)، مع محاريب ضغط مصفوفة لتقليل الاقتران المكاني الزمني. حقق نبض الليزر، الذي تم تركيزه على هدف غشاء بوليمر بزاوية سقوط 20 درجة، طاقة على الهدف تبلغ 32 ± 2 جول ومدة 24 ± 2 فمتوثانية، مما أدى إلى كثافة ذروة تبلغ حوالي $3 \times 10^{21} \, \text{W/cm}^2$ وإمكانات متجهة طبيعية قدرها $a_0 \approx 37$. ساعد استخدام غشاء بوليمر نانومتري بسمك مقيد للتوصيل (F8BT) مع عتبة ضرر عالية في تسريع البروتونات بشكل فعال مع الحفاظ على سلامة الأهداف القريبة.
للتشخيص، استخدمت الدراسة مقياس طيف الإلكترون (ES) واثنين من مقاييس زمن الرحلة (TPS) لقياس الإلكترونات والبروتونات المسرعة. استخدم مقياس ES مغناطيسًا بقدرة 0.6 تسلا وشاشة فوسفورية للكشف عن الإلكترونات، بينما دمجت TPS لوحة قنوات دقيقة وجهاز مرتبط بالشحن للكشف عن مسارات البروتونات وأيونات الكربون. تم تنفيذ كاشف مكدس، تم تصميمه باستخدام محاكاة مونت كارلو، لتوصيف البروتونات المسرعة بدقة، ويتكون من طبقات من المواد لتقليل الضوضاء الناتجة عن الإلكترونات المسرعة بالليزر. سمح الإعداد التجريبي بإجراء قياسات دقيقة لطيف البروتونات، مع تحليل البيانات الذي تم من خلال خوارزمية تطور تفاضلي لتناسب القيم المحسوبة مع البيانات المقاسة، مما يضمن نتائج قوية على الرغم من الشكوك الكامنة في عمليات المعايرة.
نتائج
في هذه الدراسة، تم استخدام ليزر CoReLS بقدرة 4 بيكووات Ti:Sapphire لدفع تسريع البروتونات، مستفيدًا من طاقة نبض تبلغ 32 جول ومدة 24 فمتوثانية. لتحقيق نبض ليزر فائق النقاء، تم تنفيذ تقنيات متقدمة مثل توليد الموجات المتقاطعة، وتضخيم نبضات ضوئية بارامترية مشوشة، ومرآة بلازما مزدوجة، مما أدى إلى تباين زمني يتجاوز $10^{12}$ حتى 2 بيكو ثانية قبل النبضة الرئيسية. بالإضافة إلى ذلك، تم تعزيز استقرار توجيه البقعة البؤرية، حيث تم تحقيق انحراف معياري لعدة ميكرونات من خلال تقليل اهتزازات المكونات البصرية والمحاذاة الدقيقة لمرآة البلازما.
كانت الأهداف المستخدمة أغشية بوليمر بسمك 100 نانومتر (F8BT)، تم اختيارها لعتبات الضرر الميكانيكية والبصرية العالية. تم تخصيص هذه الأغشية في الحجم والشكل عن طريق إزالة المناطق غير الضرورية باستخدام ليزر فمتوثاني بقدرة 100 كيلو هرتز وميكرو جول للحد من توصيل التيار السطحي. سمح الإعداد التجريبي بالكشف عن الإلكترونات والبروتونات المسرعة من الأغشية المقيدة التوصيل باستخدام مقياس طيف الإلكترون واثنين من مقاييس بارابولا طومسون (TPSs). بعد تحسين معلمات الليزر والهدف بناءً على نتائج TPS، تم دمج كاشف مكدس لقياس الملف المكاني والطيف للبروتونات في وقت واحد. يتم توفير مزيد من التفاصيل حول معالجة الليزر، وتصنيع الأهداف، ومنهجيات تحليل البيانات في قسم الطرق.
مناقشة
في هذه الدراسة، استكشف المؤلفون توليد البروتونات التي تتجاوز 110 ميغا إلكترون فولت باستخدام أغشية مقيدة التوصيل، محققين تحسينات كبيرة في طاقة قطع البروتون مقارنة بالأهداف التقليدية المسطحة. تضمنت الإعدادات التجريبية ليزر فمتوثاني بقدرة بيكووات يتفاعل مع أغشية بعرض 30 ميكرون، مما أدى إلى ملفات بروتون تشير إلى تحسين تباين الليزر وسلامة الهدف. كانت طاقات القطع المقاسة 105 ميغا إلكترون فولت و112 ميغا إلكترون فولت لأغشية 80 ميكرون و30 ميكرون، على التوالي، مما يمثل زيادات بنسبة 17% و24% مقارنة بـ 90 ميغا إلكترون فولت التي لوحظت مع الأهداف المسطحة. ومن الجدير بالذكر أن عدد البروتونات ذات الطاقات فوق 70 ميغا إلكترون فولت من الغشاء بسمك 30 ميكرون بلغ 5 × 10^9، أي خمسة أضعاف العدد من التكوينات المسطحة، على الرغم من أن العدد الإجمالي للبروتونات فوق 5 ميغا إلكترون فولت ظل دون تغيير.
استخدم المؤلفون محاكاة الجسيمات في الخلايا (PIC) لتوضيح آليات التسريع الأساسية، كاشفين أن الطاقة المعززة للبروتونات نتجت عن مزيج من تسريع ضغط الإشعاع (RPA) والنبذ الكولومبي (CR). سمحت الأغشية المقيدة التوصيل بحبس أكثر فعالية للإلكترونات، مما أدى إلى إنشاء مجال كهربائي طولي أقوى وتقليل تأثيرات التغطية. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات استخدام الأغشية النانوية المهيكلة في تسريع البروتونات المدفوعة بالليزر، مما يمهد الطريق لمزيد من التقدم في تصميم الأهداف ومعلمات الليزر لتحسين طاقة البروتون وجودتها بشكل أكبر.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-56667-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39929819
Publication Date: 2025-02-10
Author(s): Yinren Shou et al.
Primary Topic: Laser-Plasma Interactions and Diagnostics
Overview
In this study, the authors demonstrate the generation of protons with energies exceeding 110 MeV using an ultrahigh-intensity femtosecond laser. By irradiating a conduction-restricted nanometre polymer foil, they successfully established a longitudinal electric field stronger than \(10^{13} \, \text{Vm}^{-1}\), enabling particle acceleration to GeV levels over sub-millimetre distances. This advancement addresses the critical limitation of low proton energy, which has hindered applications such as proton imaging and flash radiotherapy.
The researchers overcame significant challenges related to laser contrast and pointing accuracy, allowing for the effective use of size-reduced nanometre foils. The restricted conduction of cold electrons within the foil facilitated the maintenance of a long acceleration structure, bolstered by a strong Coulomb field generated by carbon ions. This work not only achieves a notable increase in proton energy but also sets the stage for further enhancements through the development of controllable acceleration processes using engineered nano- or micro-structured targets.
Methods
In this study, a 4-PW Ti:sapphire laser system at the Center for Relativistic Laser Science (CoReLS) was employed to accelerate protons. The laser setup included a cross-polarized wave (XPW) system and an optical parametric chirped-pulse amplification (OPCPA) stage, with compression gratings aligned to minimize spatio-temporal coupling. The laser pulse, focused onto a polymer foil target at an incidence angle of 20°, achieved an on-target energy of 32 ± 2 J and a duration of 24 ± 2 fs, resulting in a peak intensity of approximately $3 \times 10^{21} \, \text{W/cm}^2$ and a normalized vector potential of $a_0 \approx 37$. The use of a conduction-restricted nanometre-thick polymer foil (F8BT) with a high damage threshold facilitated effective proton acceleration while maintaining the integrity of nearby targets.
For diagnostics, the study utilized an electron spectrometer (ES) and two time-of-flight spectrometers (TPS) to measure accelerated electrons and protons. The ES employed a 0.6-T magnet and phosphor screen for electron detection, while the TPS incorporated a microchannel plate and charge-coupled device for proton and carbon ion trajectory detection. A stack detector, designed using Monte Carlo simulations, was implemented to accurately characterize the accelerated protons, comprising layers of materials to mitigate noise from laser-accelerated electrons. The experimental setup allowed for precise measurements of proton spectra, with data analysis conducted through a differential evolution algorithm to fit the calculated values to the measured data, ensuring robust results despite inherent uncertainties in the calibration processes.
Results
In this study, the CoReLS 4-PW Ti:Sapphire laser was employed to drive proton acceleration, utilizing a pulse energy of 32 J and a duration of 24 fs. To achieve an ultraclean laser pulse, advanced techniques such as cross-polarized wave generation, optical parametric chirped-pulse amplification, and double plasma mirrors were implemented, resulting in a temporal contrast exceeding $10^{12}$ up to 2 ps prior to the main pulse. Additionally, the pointing stability of the focal spot was enhanced, achieving a standard deviation of several microns through the reduction of optical component vibrations and precise alignment of plasma mirrors.
The targets used were 100-nm-thick polymer (F8BT) foils, selected for their high mechanical and optical damage thresholds. These foils were customized in size and shape by ablating unnecessary regions with a 100-kHz, μJ femtosecond laser to limit surface current conduction. The experimental setup allowed for the detection of electrons and protons accelerated from the conduction-restricted foils using an electron spectrometer and two Thomson parabola spectrometers (TPSs). Following the optimization of laser and target parameters based on TPS results, a stacked detector was incorporated to concurrently measure the spatial profile and spectrum of the protons. Further details regarding laser manipulation, target fabrication, and data analysis methodologies are provided in the Methods section.
Discussion
In this study, the authors explored the generation of protons exceeding 110 MeV using conduction-restricted foils, achieving significant enhancements in proton cutoff energy compared to traditional planar targets. The experimental setup involved a petawatt femtosecond laser interacting with 30-μm-wide foils, resulting in proton profiles that indicated improved laser contrast and target integrity. The measured cutoff energies were 105 MeV and 112 MeV for 80-μm and 30-μm foils, respectively, representing increases of 17% and 24% over the 90 MeV observed with planar targets. Notably, the number of protons with energies above 70 MeV from the 30-μm foil reached 5 × 10^9, five times greater than that from planar configurations, although the total number of protons above 5 MeV remained unchanged.
The authors employed Particle-in-Cell (PIC) simulations to elucidate the underlying acceleration mechanisms, revealing that the enhanced proton energy resulted from a combination of radiation pressure acceleration (RPA) and Coulomb repulsion (CR). The conduction-restricted foils allowed for a more effective confinement of electrons, leading to a stronger longitudinal electric field and reduced shielding effects. This study highlights the potential of using structured nanometre foils in laser-driven proton acceleration, paving the way for future advancements in target design and laser parameters to further optimize proton energy and quality.