Em colaboração com seus colegas da Alemanha e da República Tcheca, pesquisadores do Instituto de Tecnologias de Laser e Plasma da Universidade Nacional de Pesquisa Nuclear MEPhI (Rússia) desenvolveram um novo método para gerar campos elétricos quasistáticos superfortes que resultam na aceleração de íons no plasma a laser.

Esta pesquisa é de grande importância na medicina, particularmente para terapia de feixe de prótons, um tratamento de câncer moderno. O artigo foi publicado em Relatórios Científicos .

Existem três métodos principais para o tratamento do câncer:intervenção cirúrgica, quimioterapia e radiação (radioterapia). A radioterapia é baseada na aplicação de radiação ionizante, o que é prejudicial tanto para o tumor quanto para o tecido saudável ao seu redor. Isso impõe certas limitações ao poder dos feixes de raios gama, que são usados ​​em radioterapia.

É por isso que é muito melhor usar prótons. Devido à massa relativamente grande de prótons, o feixe permanece focado, permitindo que os cientistas visem os tumores com precisão sem danificar o tecido saudável ao seu redor.

Contudo, gerar um feixe de prótons requer um acelerador de partículas, que é um equipamento muito caro, pesando muitas toneladas. Por exemplo, o acelerador de sincrociclotron usado no centro terapêutico em Orsay, França, pesa um total de 900 toneladas. É por isso que muitas universidades mundiais estão atualmente trabalhando no desenvolvimento de métodos alternativos para gerar feixes de partículas carregadas ultrarrápidas. Um deles é baseado em aceleradores de feixe de laser.

Os aceleradores de feixe de laser são significativamente mais baratos e mais compactos do que os ciclotrons e síncrotrons convencionais, mas a qualidade dos feixes obtidos com sua ajuda não é suficiente para a maioria das aplicações práticas devido ao grande alcance de energia dos prótons e à potência insuficiente. Hoje, pesquisadores estão competindo para desenvolver novos métodos de aceleração de laser:a obtenção de um feixe de prótons com uma potência de 100-200 MeV e uma faixa de energia de não mais do que alguns por cento daria início a uma nova era na medicina a laser.

De acordo com pesquisadores do MEPhI, a teoria que desenvolveram pode ajudar a levar a novos métodos de aceleração de laser. "Em nossa pesquisa, previmos em teoria e demonstramos, com o auxílio de modelagem numérica, um efeito que é aparentemente paradoxal:o efeito que a força de reação da radiação tem sobre as partículas carregadas, que estão emitindo ondas eletromagnéticas, pode contribuir para sua aceleração, "disse Yevgeny Gelfer, professor assistente no departamento de física nuclear teórica do MEPhI e cientista pesquisador do Extreme Light Infrastructure Beamlines Institute na República Tcheca.

Em sistemas mecânicos comuns, as forças de fricção sempre levam à perda de energia cinética e à atenuação do movimento organizado. A força de reação da radiação, Contudo, age de forma diferente - surge como resultado da transferência de energia no campo externo (neste caso, campo do laser). Essa transferência de energia é realizada por elétrons. Durante o processo de transferência de energia de um reservatório para outro, elétrons podem diminuir e acelerar.

"Nós estudamos a propagação de impulsos de laser superfortes no plasma, "Gelfer disse." Em campos eletromagnéticos com intensidade de vários PW e superiores (1 PW é igual a 1015 W; a capacidade da maior estação de energia do mundo é 22, 500 MW, que é cerca de 50, 000 vezes menos), elétrons emitem radiação tão intensamente que seu movimento é definido não apenas pela força de Lorentz, mas também pela força de reação da radiação, que surge como resultado do recuo da radiação. Na verdade, o último pode até exceder a força de Lorentz. Provamos que nossa desaceleração dos elétrons com a ajuda do atrito da radiação no plano perpendicular à direção de propagação do feixe de laser aumenta a velocidade de seu movimento, contribuindo assim para uma separação de carga mais eficaz no plasma e amplificação do campo elétrico longitudinal formado. Este campo causa a aceleração de íons, é por isso que nossas descobertas podem contribuir para o desenvolvimento de novas maneiras de obter feixes de íons de alta qualidade. "