Волоконные лазеры уменьшат гигантские ускорители до размеров комнаты

Тысячи волоконных лазеров, синхронизированных между собой и объединённых в единый массив, обеспечат пиковую мощность излучения, в десятки раз превышающую мощность всех электростанций мира, и станут базовым элементом для ускорителей частиц следующего поколения. В этом уверены авторы статьи, опубликованной в журнале Nature Photonics. Предлагаемая ими принципиально новая концепция построения лазера может совершить революцию в области ускорительной техники, позволив создавать дешёвые и компактные ускорители частиц, востребованные в медицине и ядерных технологиях.

Общая схема предлагаемой концепции мощного волоконного лазера
Общая схема предлагаемой концепции мощного волоконного лазера

Современные ускорители заряженных частиц представляют собой огромные и дорогостоящие сооружения, занимающие площадь в несколько квадратных километров. Широко известным примером такого ускорителя является Большой адронный коллайдер, диаметр ускорительного кольца которого составляет более 8 км. По этой причине крупные ускорители являются проектами общенационального, а иногда и международного уровня. В то же время, такие устройства востребованы не только в фундаментальной физике, но и, например, в медицине и других отраслях хозяйства.

Так, одним из наиболее эффективных методов борьбы с раковыми опухолями является протонная лучевая терапия. В отличии от других видов лучевой терапии она обладает высокой степенью избирательности, позволяя уничтожать опухоли, не повреждая прилежащие здоровые ткани организма. Тем самым значительно снижаются негативные для человека последствия терапии.

К сожалению, необходимость высокой энергии протонов, применяемых в этом виде терапии, исключает в настоящее время возможность использования небольших ускорителей. Поэтому клинические центры протонной терапии организуют вблизи огромных ускорителей, и стоимость курса лечения в них огромна. Но даже за большие деньги протонная терапия достпуна не всем. В мире не так уж много крупных ускорителей, а работающих с ними клиник ещё меньше — всего около десятка.

Не менее важна и другая проблема, решаемая применением компактных ускорителей. Речь о переработке ядерных отходов. Проблема в том, что такие отходы представляют собой долгоживущие радиоактивные изотопы, излучающие радиацию в течение сотен тысяч лет. Используя ускоренные протоны, можно было бы превращать их в более короткоживущие вещества, не представляющие опасности уже через несколько десятков лет.

Уменьшить размеры ускорителей и снизить их стоимость, не меняя основательно принцип их работы, невозможно. Дело в том, что большие размеры связаны с относительной малостью электрических и магнитных полей в традиционных ускорителях. Попытки увеличения этих полей приводят к тому, что создающие их магниты и электроды начинают интенсивно разрушаться.

Выходом из сложившейся ситуации, а на самом деле настоящим прорывом, могло бы стать использование совершенно нового способа ускорять заряженные частицы — мощным лазерным излучением в горячей плазме, создаваемой этим же излучением.

Современные лазерные системы сверхвысокой мощности далеко ушли от привычных нам лазерных указок, уровней и дальномеров. Самые мощные из созданных лазеров, мегаваттные, в среднем за секунду испускают столько же энергии, сколько и миллиард обычных красных указок. Такие лазеры прожигают металл, используются на производстве и в перспективе могут получить военное применение.

Мало того, учёные научились создавать лазеры, которые излучают в течение чрезвычайно короткого промежутка времени — не более триллионной доли секунды — но сразу много энергии. Называемые лазерами ультракоротких импульсов такие устройства достигают настолько высокой пиковой мощности, что она в десятки раз превосходит мощность всех электростанций, работающих в мире.

Конечно, это ничем не угрожает мировой электроэнергетике, ведь такие импульсы создаются относительно редко — не чаще нескольких раз в секунду, то есть в среднем выделяемая мощность не превышает мощности обычной лампочки. Эффект же достигается за счёт своеобразной «временной линзы», когда энергия, «размазанная» во времени, собирается в короткий промежуток так же, как линза собирает падающий на неё свет в фокусе — все знают, что в этом случае можно даже прожечь дырку в деревяшке.

Оказалось, что сверхмощные лазеры могут быть использованы для эффективного ускорения частиц. При облучении тонких фольг они их полностью сжигают и разрушают, создавая горячую плазму, из которой летят пучки быстрых ионов. При этом, поскольку фольга все равно уже разрушена, ускоряющие поля в ней ограничиваются только мощностью излучения и превосходят поля в традиционных ускорителях в тысячи раз.

Последнее обстоятельство позволяет снизить размер ускорителя до нескольких метров, а его стоимость — в сотни раз. Потенциально это означает, что такое устройство может быть доступно любой клинике областного масштаба.

Есть, однако, и сложности. Во-первых, современные сверхмощные лазеры излучают импульсы слишком редко. Для реального их использования требуется производить в секунду не один импульс, а тысячу или лучше несколько тысяч. И во-вторых, они слишком малоэффективны, требуя для своей работы в несколько тысяч раз больше энергии, чем способны производить на выходе.

Этих проблем лишены волоконные лазеры, основой для которых является оптоволокно, широко распространённое в телекоммуникациях. Однако взятый отдельно один такой лазер нельзя сделать сверхмощным. Поэтому авторы опубликованной статьи и предлагают объединить в единый массив сто тысяч волоконных лазеров, предварительно проведя их синхронизацию их между собой.

Если задуманное удастся воплотить в жизнь, преодолев все поджидающие учёных и инженеров трудности — например, никто пока не умеет производить синхронизацию волоконных лазеров с необходимой точностью — то онокологию ждут новые времена. Возможно, уже через 10 или 20 лет современные рентгеновские аппараты для лучевой терапии будут выброшены на помойку, а их место займут новые сверкающие комплексы на основе оптоволоконных технологий.


Это авторская версия статьи, опубликованной на сайте «Радио Свобода».

comments powered by Disqus