Ilustración de un experimento típico de alta energía, o rápido, aceleración de protones de un objetivo sólido irradiado con láser. Crédito:Andrea Macchi, et al., Rev. Mod. Phys., Vol. 85, No. 2, Abril-junio de 2013. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
Hace casi 20 años, Investigadores que realizan experimentos en el sistema láser Nova Petawatt del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), el primer láser de cuatrillones de vatios del mundo, descubrieron que cuando los intensos rayos láser de pulso corto del sistema golpeaban un objetivo de lámina delgada, un torrente inesperado de electrones y protones de alta energía fluyó desde la parte posterior del objetivo.
A principios de este mes, un equipo internacional de investigadores utilizó al sucesor de Nova Petawatt, la Capacidad Radiográfica Avanzada (ARC) de clase de petavatios de la Instalación Nacional de Ignición (NIF), para comenzar a desarrollar una plataforma experimental que promete convertir el descubrimiento sorpresa de Nova en una nueva y poderosa fuente de protones para estudiar las condiciones extremas en el interior de los planetas y las estrellas, mejorar la terapia tumoral dirigida y hacer avanzar las fronteras de la ciencia de alta densidad de energía (HED).
En dos experimentos de NIF Discovery Science, los investigadores dispararon cuatro haces ARC a una lámina de titanio de 33 micrones de espesor, estableciendo un fuerte campo de vaina electrostática llamado campo Acelerador de vaina normal objetivo (TNSA) perpendicular al objetivo (normal es un término geométrico para perpendicular). Mientras el campo volaba lejos de la parte posterior del objetivo, aceleró los protones e iones de alta energía de la capa de contaminación de hidrocarburos ricos en protones y el agua que recubre la superficie del objetivo, todos moviéndose rápidamente en la misma dirección.
"Los resultados fueron tan buenos como esperábamos, "dijo la física de LLNL Tammy Ma, el investigador principal de la campaña. "Definitivamente fue una victoria. ARC no es tan intenso como muchos otros láseres de pulso corto, por eso, a algunos en la comunidad les preocupaba que las intensidades no fueran suficientes para generar estos rayos. Pero (el resultado) fue más protones de lo que esperábamos con energías cercanas a 20 MeV (millones de electronvoltios), definitivamente una fuente que permitirá otras aplicaciones y una física genial ".
(Izquierda) El generador de imágenes de rayos X blandos sin procesar (SXI) muestra la emisión de rayos X de los cuatro puntos de haz ARC separados que inciden en la lámina de titanio. (Derecha) El modelo del objetivo superpuesto a las vigas muestra que se logró una buena orientación. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
En los experimentos, dos de las 192 líneas de luz de NIF se dividieron para formar los cuatro haces de luz ARC de pulso corto. Los haces se dispararon simultáneamente durante 10 o un picosegundo (billonésimas de segundo), generando hasta 200 teravatios (billones de vatios) de potencia por haz. El total de aproximadamente 700 teravatios en el segundo experimento fue el pico de potencia más alto generado hasta ahora en NIF.
La alta potencia máxima de ARC es posible gracias a un proceso llamado amplificación de pulso chirrido, en el que un corto, el pulso de banda ancha generado por un oscilador se alarga en el tiempo para reducir su intensidad máxima, luego amplificado a intensidades por debajo del umbral de daño en los amplificadores láser, y finalmente comprimido a un pulso corto y a la máxima potencia máxima en grandes recipientes compresores.
La nueva plataforma Discovery Science, apoyado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) de LLNL, está diseñado para estudiar la física de la generación de haces de partículas a energías láser de pulso corto ultra altas previamente inexploradas y duraciones de pulso largas. Junto con los 1,8 millones de julios de energía ultravioleta del NIF, la capacidad permitirá innumerables aplicaciones HED y permitirá la creación y el estudio de estados extremos de la materia.
NIF es la única instalación del mundo capaz de alcanzar condiciones como las del interior de estrellas y planetas gigantes. El uso de haces de protones generados por impulsos cortos ARC para el calentamiento ultrarrápido de la materia a estados extremos permitirá mediciones de opacidad y ecuación de estado en estados de densidad de energía sin precedentes.
Después de la amplificación en el láser NIF, los haces ARC se comprimen en la bahía de destino y se enfocan al centro de la cámara de destino. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
Además, "los protones depositan su energía de manera muy específica, "señaló el postdoctorado de LLNL Derek Mariscal, experimentalista principal del proyecto. "Es por eso que los protones son prometedores para aplicaciones como la terapia de tumores. Puede enviar un haz de protones hacia un tumor y hacer que deposite toda su energía exactamente donde lo desea sin dañar otras áreas del cuerpo.
"Lo mismo ocurre con un material sólido, ", dijo." (El haz de protones) deposita su energía donde quieres que llegue muy rápidamente, para que pueda calentar un material muy rápido antes de que tenga tiempo de expandirse hidrodinámicamente; su material permanece denso, y ese es el nombre del juego:mucha energía, alta densidad."
Una vez que se ha demostrado y comprendido la plataforma de aceleración de protones, Mariscal dijo:el siguiente paso en el proyecto será disparar los rayos ARC a una lámina de carbono deuterado (CD) para generar un rayo de deuterones. "Podrías impactarlos en una segunda lámina, como fluoruro de litio o berilio, y luego obtienes un haz de neutrones, un real, fuente de neutrones similar a un láser, utilizando únicamente dos haces de NIF en lugar de los 192 ".
