Ученые предложили новый метод генерации сверхсильных квазистатических электрических полей, которые ускоряют ионы в лазерной плазме. Результаты работы представляют собой большое значение для медицины, в частности протонной терапии — современном методе лечения онкологических заболеваний. Научная статья международного коллектива физиков при участии российских ученых опубликована в журнале Scientific Reports.

Ионизирующая радиация, которую используют во время лечения онкологических заболеваний, губительна не только для опухоли, но и для окружающих здоровых тканей. Это ограничивает мощность пучка гамма-лучей, которые используются при радиотерапии. Поэтому во время такого лечения гораздо выгоднее использовать протоны. Благодаря сравнительно большой массе эти частицы незначительно рассеиваются в ткани, а разброс длины их пробега очень мал. Поэтому пучок протонов можно очень точно сфокусировать на опухоль, не внося повреждений в окружающие здоровые ткани.

Но для того, чтобы получать такие пучки, нужен дорогостоящий ускоритель заряженных частиц. Поэтому во многих университетах мира работают над альтернативными методами генерации пучков сверхбыстрых заряженных частиц. Один из них основан на использовании лазерного ускорителя. Лазерные ускорители заряженных частиц существенно компактнее и дешевле обычных циклотронов и синхротронов, но качество получаемых с их помощью пучков пока недостаточно — во-первых, из-за мощности и, во-вторых, из-за того, что энергии получающихся при этом протонов находятся в слишком широком диапазоне. На данный момент медикам достаточно будет протонного пучка с энергией 100–200 МэВ и разбросом, не превышающим нескольких процентов.

Разработанная учеными теория может помочь в развитии новых методов лазерного ускорения.

«В работе мы предсказали теоретически и продемонстрировали при помощи численного моделирования довольно парадоксальный на первый взгляд эффект: сила радиационного трения, действующая на заряженные частицы, излучающие электромагнитные волны, может способствовать их ускорению», – рассказал один первый автор работы, доцент НИЯУ МИФИ и научный сотрудник института Extreme Light Infrastructure Beamlines (Чехия) Евгений Гельфер.

В обычных механических системах из-за сил трения приводят кинетическая энергия теряется и упорядоченное движение замедляется. Сила радиационного трения устроена особенным образом – она возникает за счет перекачки энергии внешнего поля (в данном случае лазерного) в энергию квантов очень высоких частот. В процессе переноса энергии из одного резервуара в другой переносчик этой энергии — электрон — может как замедляться, так и ускоряться.

Ученые рассмотрели, как сверхсильный лазерный импульс распространяется в плазме. В электромагнитных полях мощностью в несколько петаватт и выше электроны излучают очень интенсивно. Вследствие «отдачи» при излучении и возникает сила радиационного трения, которая начинает определять движение электронов наряду с силой Лоренца. Физики обнаружили удивительный эффект: когда сила радиационного трения замедляет движение электронов в плоскости, перпендикулярной направлению распространения лазерного луча, то это ускоряет движение электронов вперед. Таким образом эта сила помогает более эффективно разделять заряды в плазме и усиливает возникающее при этом продольное электрическое поле.

«Именно это поле вызывает ускорение ионов, поэтому полученный нами результат может помочь в получении ионных пучков более высокого качества», – заключает Евгений Гельфер.