Фото: пресс-служба МФТИ
Международная исследовательская группа, в которую вошли ученые из МФТИ, Объединенного института высоких температур РАН и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, разработала компактный ускоритель частиц, который может быть источником нейтронов и гамма-квантов. Хотя это устройство легко помещается в кабинете, по мощности оно превосходит даже крупные синхротроны. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
В настоящее время во многих отраслях науки используются фотонные и нейтронные пучки высокой интенсивности. Нейтронные пучки помогают в структурных исследованиях биомолекул и полимеров. Направленные пучки частиц также могут применяться в медицине, например в FLASH-радиотерапии. Для астрономов и астрофизиков способность генерирования нейтронных пучков тоже незаменима, поскольку это позволило бы моделировать условия в космосе, где за секунду площадку площадью 1 см2 может пересечь 1021 (секстиллион) частиц. Классические ускорители частиц, даже занимая площадь в несколько футбольных полей, не могут достичь тех же значений. Поэтому сейчас ученые обращаются к использованию лазеров.
Исследователи использовали высокоэнергетический лазер PHELIX, который предназначен для работы с тяжелыми ионами. Он является петаваттным, то есть он способен генерировать излучение мощностью 1015 Вт. Это на три порядка превышает мощность всех электростанций в мире, но данный лазер генерирует только краткосрочные импульсы, которые длятся одну пикосекунду (10-12 с). Чтобы эта установка могла генерировать нейтроны и гамма-кванты, лазер в течение наносекунды действует на мишень из мягкого полимера — триацетата целлюлозы. В результате этого атомы вещества ионизируются и образуется плазма. После этого подается еще один, более мощный и краткий, пикосекундный импульс, разгоняющий электроны плазмы до высоких энергий. Для торможения электронов в эксперименте использовались металлические фольги из золота, хрома, тантала и индия. Эффективнее всего оказалась золотая фольга. При столкновении электронов с фольгой они избавлялись от избытка энергии, излучали фотон в форме гамма-излучения, а также являлись источником нейтронов, что было связано с протеканием ядерной реакции.
Установка показала рекордные значения эффективности преобразования лазерного излучения в гамма-кванты с энергией выше 10 МэВ — более 1,4%. Эффективность преобразования излучения в нейтроны составила 0,05%, и в ходе экспериментов ученым удалось получить более 60 млрд этих частиц.
Особенностью этой установки стала ее компактность и низкая себестоимость, поэтому ее можно поместить прямо в кабинете. При этом она может генерировать гамма-излучение высокой интенсивности, превосходя крупные, масштабные синхротроны.
Автор: Елизавета Перепелица
