Une étape importante dans l'accélération du plasma : nouveau record d'énergie pour la prochaine génération d'accélérateurs de protons
Des applications prometteuses en médecine et en science des matériaux se rapprochent
Le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a réalisé une avancée significative dans le domaine de l'accélération du plasma laser. Grâce à une méthode innovante, une équipe de chercheurs est parvenue à dépasser largement le précédent record en matière d'accélération de protons. Pour la première fois, ils ont atteint des énergies qui, jusqu'à présent, ne semblaient possibles que dans des installations beaucoup plus grandes. Comme le rapporte le groupe de recherche dans la revue Nature Physics, des applications prometteuses en médecine et en science des matériaux sont désormais beaucoup plus probables.
L'accélération du plasma par laser ouvre des perspectives intéressantes : par rapport aux accélérateurs conventionnels, elle promet des installations plus compactes et plus économes en énergie, car au lieu d'utiliser de puissantes ondes radio pour mettre les particules en mouvement, la nouvelle technologie utilise des lasers pour les accélérer. Le principe est le suivant : des impulsions laser extrêmement courtes, mais de haute intensité, sont émises sur des feuilles très fines. La lumière chauffe le matériau à tel point que d'innombrables électrons en sortent, tandis que les noyaux atomiques restent en place. Les électrons étant chargés négativement et les noyaux atomiques positivement, un champ électrique puissant se forme entre eux pendant une courte période. Ce champ peut catapulter une impulsion de protons sur seulement quelques micromètres à des énergies qui nécessiteraient des distances beaucoup plus longues avec la technologie des accélérateurs conventionnels.
Cette technologie en est toutefois encore au stade de la recherche : jusqu'à présent, il n'a été possible d'atteindre que des énergies de protons allant jusqu'à 100 MeV, et ce uniquement en utilisant des systèmes laser extrêmement grands, dont il n'existe que quelques exemplaires dans le monde. Afin d'atteindre des énergies d'accélérateur aussi élevées avec des installations laser plus petites et des impulsions plus courtes, l'équipe des physiciens Karl Zeil et Tim Ziegler du HZDR a adopté une nouvelle approche. Ils ont exploité une propriété des éclairs laser qui est généralement considérée comme un défaut : "L'énergie d'une impulsion ne se déclenche pas immédiatement, ce qui serait le cas idéal", rapporte M. Ziegler. "Au lieu de cela, une petite partie de l'énergie du laser se précipite devant elle, comme une sorte d'avant-garde".
Une transparence soudaine
Dans le nouveau concept, c'est cette lumière qui se précipite vers l'avant qui joue un rôle clé. Lorsqu'elle frappe une feuille de plastique spécialement fabriquée dans une chambre à vide, elle peut la modifier d'une manière spécifique : "La feuille se dilate sous l'influence de la lumière et devient de plus en plus chaude et mince", explique Ziegler. "La feuille fond effectivement au cours du processus de chauffage. Cela a un impact positif sur l'impulsion primaire qui suit immédiatement : la feuille, qui autrement réfléchirait largement la lumière, devient soudainement transparente, ce qui permet à l'impulsion primaire de pénétrer plus profondément dans le matériau que lors des expériences précédentes.
"Le résultat est qu'une cascade complexe de mécanismes d'accélération est déclenchée dans le matériau", explique Ziegler, "ce qui fait que les protons contenus dans le film sont beaucoup plus accélérés qu'ils ne l'étaient par notre laser DRACO". En chiffres : alors que l'installation atteignait auparavant des énergies de protons d'environ 80 MeV, elle peut désormais générer 150 MeV, soit près du double. Pour atteindre ce record, l'équipe a dû mener une série d'expériences afin d'approcher les paramètres d'interaction parfaits, par exemple en ce qui concerne l'épaisseur optimale des films utilisés. En analysant les données de mesure, le groupe de recherche a découvert que le faisceau de particules accélérées présentait une autre propriété intéressante : les protons de haute énergie présentent une distribution d'énergie étroite, ce qui signifie, au sens figuré, qu'ils sont tous à peu près aussi rapides les uns que les autres - une caractéristique avantageuse pour les applications ultérieures, pour lesquelles des énergies de protons élevées et uniformes sont extrêmement bénéfiques.
Avantage : efficacité énergétique
L'une de ces applications consiste à étudier de nouveaux concepts radiobiologiques pour un traitement précis et doux des tumeurs. Cette méthode consiste à appliquer de très fortes doses de rayonnement pendant une période très courte. Pour ces études, on a utilisé jusqu'à présent des accélérateurs de thérapie conventionnelle à grande échelle, qui ne sont disponibles que dans quelques centres en Allemagne et qui sont, bien sûr, prioritaires pour le traitement des patients. La nouvelle procédure HZDR rend désormais plus probable l'utilisation de systèmes laser compacts, ce qui permet à d'autres groupes de recherche d'accéder à ces études et facilite les scénarios d'irradiation que les systèmes conventionnels ne peuvent pas fournir. "De plus, les installations actuelles ont besoin de beaucoup d'énergie", explique M. Ziegler. "En se basant sur l'accélération du plasma par laser, elles pourraient être beaucoup plus économiques.
La procédure pourrait également être utilisée pour la production efficace de neutrons. Les éclairs laser peuvent être utilisés pour produire des impulsions neutroniques courtes et intenses, qui sont intéressantes pour la science et la technologie ainsi que pour l'analyse des matériaux. Ici aussi, les accélérateurs à plasma promettent d'élargir considérablement les champs d'application précédents. Mais avant tout, les scientifiques veulent affiner la nouvelle méthode et mieux la comprendre. Ils souhaitent notamment coopérer avec d'autres laboratoires pour contrôler plus précisément le processus et rendre la technologie plus accessible. D'autres records sont également à l'ordre du jour : des énergies de plus de 200 MeV semblent tout à fait possibles.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Tim Ziegler, Ilja Göthel, Stefan Assenbaum, Constantin Bernert, Florian-Emanuel Brack, Thomas E. Cowan, Nicholas P. Dover, Lennart Gaus, Thomas Kluge, Stephan Kraft, Florian Kroll, Josefine Metzkes-Ng, Mamiko Nishiuchi, Irene Prencipe, Thomas Püschel, Martin Rehwald, Marvin Reimold, Hans-Peter Schlenvoigt, Marvin E. P. Umlandt, Milenko Vescovi, Ulrich Schramm, Karl Zeil; "Laser-driven high-energy proton beams from cascaded acceleration regimes"; Nature Physics, 2024-5-13
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