Ερευνητές από το Czech Technical University στην Πράγα και το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο επιτάχυνσης πρωτονίων σε πλάσμα τύπου X-pinch, επιτυγχάνοντας για πρώτη φορά ακτινική επιτάχυνση των σωματιδίων.
Η ανακάλυψη επιτρέπει τη δημιουργία εξαιρετικά καθαρών εικόνων μέσω πρωτονικής ακτινογραφίας, χρησιμοποιώντας πολύ μικρότερες και οικονομικότερες πειραματικές διατάξεις σε σχέση με τις μεγάλες εγκαταστάσεις λέιζερ που απαιτούνταν μέχρι σήμερα.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στα επιστημονικά περιοδικά «Physical Review Letters» και «Physics of Plasmas».
Πώς λειτουργεί το πλάσμα X-pinch
Οι διατάξεις pinch αποτελούνται από στήλες πλάσματος που διαρρέονται από ισχυρό ηλεκτρικό ρεύμα. Το ίδιο το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το ρεύμα συμπιέζει το πλάσμα προς το εσωτερικό, δημιουργώντας εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και πυκνότητες.
Στη νέα μελέτη χρησιμοποιήθηκε μια παραλλαγή της τεχνικής, γνωστή ως X-pinch. Σε αυτήν, δύο κωνικά ηλεκτρόδια σχηματίζουν ένα «Χ», συγκεντρώνοντας τη συμπίεση του πλάσματος σε ένα εξαιρετικά μικρό σημείο. Έτσι δημιουργείται μια σχεδόν σημειακή πηγή ακτινοβολίας, ιδανική για απεικονιστικές εφαρμογές υψηλής ανάλυσης.
Επιτάχυνση πρωτονίων με εντυπωσιακή ταχύτητα
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν τα πειράματα στις εγκαταστάσεις MAIZE του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν και XP του Πανεπιστημίου Cornell, χρησιμοποιώντας γεννήτριες παλμών μέγιστης έντασης 400 κιλοαμπέρ.
Για τη δημιουργία του πλάσματος τοποθέτησαν μια ίνα πολυαιθυλενίου πάχους μόλις 30 μικρομέτρων, περίπου τη μισή διάμετρο μιας ανθρώπινης τρίχας. Η ίνα εξατμίστηκε σχεδόν ακαριαία από τον ηλεκτρικό παλμό, προκαλώντας απότομη διακοπή της ροής του ρεύματος. Η απότομη αυτή μεταβολή δημιούργησε πολύ υψηλή τάση, η οποία εκτόξευσε πρωτόνια ακτινικά με ενέργεια έως και 3 MeV και ταχύτητες που πλησιάζουν εκείνες του φωτός.
Νέα δυνατότητα για πρωτονική ακτινογραφία
Η ομάδα αξιοποίησε την ακτινική δέσμη πρωτονίων για να απεικονίσει την έκρηξη ενός λεπτού μεταλλικού σύρματος τοποθετημένου δίπλα στη διάταξη X-pinch. Οι εικόνες αποκάλυψαν με εξαιρετική ευκρίνεια τον πυκνό πυρήνα της έκρηξης, το νέφος πλάσματος που εξαπλωνόταν και τις πολύπλοκες δομές που δημιουργήθηκαν γύρω του.
Η πρωτονική ακτινογραφία αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της ταχύτατης εξέλιξης ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων μέσα στο πλάσμα, όμως μέχρι σήμερα απαιτούσε τεράστιες και ιδιαίτερα δαπανηρές εγκαταστάσεις λέιζερ.
Προοπτικές για τη σύντηξη και τη φυσική πλάσματος
Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι η νέα τεχνική θα επιτρέψει σε πολύ περισσότερα ερευνητικά εργαστήρια να πραγματοποιούν πειράματα πρωτονικής ακτινογραφίας, επιταχύνοντας την έρευνα στη φυσική πλάσματος, στις τεχνολογίες πυρηνικής σύντηξης και στη μελέτη ακραίων φαινομένων υψηλής ενέργειας.
Παράλληλα, η ανακάλυψη αναδεικνύει μια νέα δυνατότητα των διατάξεων X-pinch, οι οποίες μέχρι σήμερα χρησιμοποιούνταν κυρίως ως σημειακές πηγές ακτίνων Χ, ανοίγοντας τον δρόμο για νέες εφαρμογές στην επιστημονική απεικόνιση και στην προηγμένη έρευνα πλάσματος.
