Quase 20 anos atrás, pesquisadores realizando experimentos no sistema de laser Nova Petawatt do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) - o primeiro laser de quatrilhão de watts do mundo - descobriram que, quando os intensos feixes de laser de pulso curto do sistema atingiram um alvo de folha fina, uma torrente inesperada de elétrons e prótons de alta energia saiu da parte de trás do alvo.

No início deste mês, uma equipe internacional de pesquisadores usou o sucessor de Nova Petawatt, a capacidade radiográfica avançada (ARC) de classe petawatt da National Ignition Facility (NIF), para começar a desenvolver uma plataforma experimental que promete transformar a descoberta surpresa de Nova em uma nova e poderosa fonte de prótons para estudar as condições extremas nas profundezas dos planetas e das estrelas, aprimorar a terapia direcionada ao tumor e avançar as fronteiras da ciência de alta densidade de energia (HED).

Em dois experimentos NIF Discovery Science, os pesquisadores dispararam quatro feixes ARC em uma folha de titânio de 33 mícrons de espessura, configurar um forte campo de revestimento eletrostático denominado campo de aceleração de revestimento normal do alvo (TNSA) perpendicular ao alvo (normal é um termo geométrico para perpendicular). À medida que o campo se distanciava da parte de trás do alvo, ele acelerou prótons e íons de alta energia da camada de contaminação de hidrocarbonetos ricos em prótons e a água que cobre a superfície do alvo, todos se movendo rapidamente na mesma direção.

"Os resultados foram tão bons quanto esperávamos, "disse a física do LLNL Tammy Ma, o principal investigador da campanha. "Foi definitivamente uma vitória. O ARC não é tão intenso quanto muitos outros lasers de pulso curto, portanto, alguns na comunidade temiam que as intensidades não fossem suficientes para gerar esses feixes. Mas (o resultado) foi mais prótons do que esperávamos, com energias próximas a 20 MeV (milhões de elétron-volts) - definitivamente uma fonte que permitirá outras aplicações e física interessante. "

Nos experimentos, duas das 192 linhas de luz do NIF foram divididas para formar os quatro feixes ARC de pulso curto. Os raios foram disparados simultaneamente por 10 ou um picossegundos (trilionésimos de segundo), gerando até 200 terawatts (trilhões de watts) de potência por beamlet. O total de cerca de 700 terawatts no segundo experimento foi o pico de potência mais alto já gerado no NIF.

A alta potência de pico do ARC é possibilitada por um processo chamado amplificação de pulso chirped, em que um curto, o pulso de banda larga gerado por um oscilador é alongado a tempo para reduzir sua intensidade de pico, em seguida, amplificado em intensidades abaixo do limite de dano nos amplificadores de laser, e, finalmente, comprimido para um pulso curto e potência de pico mais alta em grandes vasos de compressão.

A nova plataforma Discovery Science, apoiado pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório (LDRD) do LLNL, é projetado para estudar a física da geração de feixe de partículas em energias de laser de pulso curto ultraltas até então inexploradas e durações de pulso longas. Acoplado aos 1,8 milhões de joules de energia ultravioleta do NIF, a capacidade permitirá inúmeras aplicações de HED e permitirá a criação e o estudo de estados extremos da matéria.

O NIF é a única instalação do mundo capaz de atingir condições como as do interior de estrelas e planetas gigantes. O uso de feixes de prótons gerados por pulsos curtos ARC para aquecimento ultrarrápido da matéria a estados extremos permitirá medições de opacidade e equação de estado em estados de densidade de energia sem precedentes.

Além disso, "os prótons depositam sua energia muito especificamente, "observou o pós-doutorado do LLNL Derek Mariscal, experimentalista líder do projeto. “É por isso que os prótons são promissores para aplicações como terapia tumoral. Você pode enviar um feixe de prótons em direção a um tumor e fazer com que ele deposite toda a sua energia exatamente onde você deseja, sem danificar outras áreas do corpo.

"Da mesma forma com um material sólido, "disse ele." (O feixe de prótons) deposita sua energia onde você deseja muito rapidamente, então você pode aquecer um material muito rápido antes que ele tenha tempo de se expandir hidrodinamicamente - seu material permanece denso, e esse é o nome do jogo - alta energia, alta densidade."

Uma vez que a plataforma de aceleração de prótons foi demonstrada e compreendida, Mariscal disse, a próxima etapa do projeto será disparar os feixes ARC em uma folha de carbono deuterado (CD) para gerar um feixe de deuterons. "Você poderia impactá-los em uma segunda folha, como fluoreto de lítio ou berílio, e então você obtém um feixe de nêutrons - um verdadeiro, fonte de nêutrons semelhante a laser, usando apenas dois feixes de NIF em vez de todos os 192. "