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.Scientists Accidentally Solved a Major Proton Beam Problem
과학자들은 우연히 주요 양성자 빔 문제를 해결했습니다
에린 우드워드 , SLAC 국립 가속기 연구소2025년 2월 12일 물 시트 타겟을 이용한 레이저 플라즈마 양성자 가속 레이저 구동 양성자 가속을 연구하는 연구자들은 각 레이저 펄스 후 표적을 교체하는 비효율성을 해결하기 위해 혁신적이고 자체 보충되는 물 시트 표적을 도입했습니다. 표적은 놀라운 부작용을 보였으며, 자연스럽게 초점이 맞춰지고 더 단단히 정렬된 양성자 빔을 생성했습니다. 출처: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
과학자들은 고출력 레이저와 간단한 물줄기를 사용해 양성자 빔을 생성하는 혁신적인 방법을 찾아냈습니다. 크고 값비싼 가속기를 필요로 하는 기존 방법과 달리, 이 접근 방식은 레이저 플라즈마 가속기를 사용하여 컴팩트한 공간에서 초고속 양성자 빔을 생성합니다. 양성자 빔 가속의 획기적인 진전 과학자들은 고반복율 레이저 플라스마 가속기를 사용하여 빠르고 밝은 양성자 빔을 생성하는 새로운 방법을 개발했습니다. Nature Communications 에 게재된 그들의 연구는 오랜 과제를 극복하고 이 기술을 실용적인 응용 분야로 끌어올렸습니다. 모두 단순한 물줄기의 도움으로 가능합니다.
"이러한 흥미로운 결과는 의학, 가속기 연구 및 관성 핵융합 분야에서 상대론적 고출력 레이저의 새로운 응용 분야를 위한 길을 열어줍니다." 에너지부 SLAC 국가 가속기 연구소의 광자 과학 교수이자 고에너지 밀도 과학 부서의 책임자인 지크프리트 글렌저의 말입니다. 새로운 유형의 양성자 빔에 대한 필요성 양성자 빔은 물질을 정확하게 타겟팅할 수 있는 고속의 대전된 입자 흐름으로, 광범위한 응용 분야에 가치가 있습니다. 더 넓은 영역에 영향을 미치는 X선과 달리 양성자 빔은 특정 위치에 에너지를 축적하여 암 치료, 반도체 제조 및 고급 과학 연구 수행에 유용합니다. 그러나 이러한 초고속 고에너지 빔을 생산하는 것은 여전히 어려운 일입니다.
싱크로트론과 같은 전통적인 입자 가속기는 강력한 전자석을 사용하여 입자 빔을 가속, 조종 및 집중시킵니다. 이러한 시스템은 과학적 발견에 필수적이었지만, 크기가 크고 비용이 많이 들기 때문에 산업 및 의료 분야에서 광범위하게 사용하기에는 비실용적입니다. 일부 첨단 의료 센터는 이미 양성자 빔을 사용하여 종양을 치료하고 주변 조직의 손상을 최소화하면서 암세포를 선택적으로 파괴합니다. 그러나 더 작고 비용 효율적인 양성자 빔 소스는 이 기술에 대한 접근성을 크게 확대하여 새로운 의료 치료와 산업적 응용 프로그램을 가능하게 할 수 있습니다.
레이저-플라스마 가속의 약속 레이저 플라스마 가속기(LPA)가 등장했습니다. LPA는 고강도 레이저를 사용하여 표적을 타격하여 기존 가속기를 사용하여 생성된 것과 비슷한 속도에 도달하는 대전 입자 빔을 생성하지만 거리는 훨씬 짧습니다. 과학자들은 양성자 빔을 생성하는 소형의 비용 효율적인 방법으로 LPA를 연구하고 있지만, 여러 가지 기술적 과제가 진행을 방해했습니다. 한 가지 과제는 고강도 레이저에서 발생하는데, 이는 각 펄스 후에 타겟을 파괴하여 모든 샷에 대해 새로운 타겟이 필요합니다. 또 다른 문제는 빔 발산입니다. LPA에서 생성된 양성자 빔은 일반적으로 좁은 초점을 유지하는 대신 플러드라이트처럼 퍼집니다.
타겟 교체의 필요성과 빔 발산은 모두 LPA 시스템의 효율성을 크게 떨어뜨립니다. 물만 더하면 됩니다 최근 연구에서 연구자들은 예상치 못한 획기적인 진전을 이루어, 원래는 단 하나의 문제만 해결하려고 했지만 동시에 여러 문제를 해결했습니다. STFC 러더퍼드 애플턴 연구소의 중앙 레이저 시설에서 일하는 팀은 SLAC의 연구자들이 개발한 새로운 타겟을 테스트하여 각 레이저 펄스 후에 타겟을 교체하는 비효율성을 해결했습니다. 기존의 고체 타겟을 사용하는 대신, 그들은 각 샷 후에 보충되는 자체 재생 스트림인 얇은 물 시트를 도입했습니다.
레이저가 물에 부딪혔을 때 예상대로 양성자 빔이 생성되었습니다. 자기 집중의 놀라움 하지만 놀라운 일이 일어났습니다. 증발된 물이 표적 주위에 증기 구름을 형성했고, 이것이 양성자 빔과 상호 작용하여 자기장을 생성했습니다. 이러한 자기장은 자연스럽게 빔을 집중시켜 더 밝고 더 단단히 정렬된 양성자 빔을 생성했습니다. 고체 표적을 사용한 유사한 실험과 비교했을 때, 물 시트는 양성자 빔의 발산을 10배나 줄이고 빔의 효율성을 100배나 높였습니다. 양성자 빔은 놀라운 안정성을 보였으며, 수백 번의 레이저 샷에서 초당 5개의 펄스로 일관되게 작동했습니다. "이 효과는 완전히 예상치 못한 것이었습니다." 스탠포드 대학 박사과정 학생이자 물 시트 타겟을 설계하고 데이터 분석을 수행하며 논문의 두 번째 저자인 그리핀 글렌이 말했습니다. 레이저, 물 시트, 진공 환경의 세부적인 속성을 포함한 이 실험의 수많은 변수는 이러한 예측을 불가능하게 만들었습니다.
하지만 이 현상을 관찰한 후, 팀은 실험 데이터를 사용하여 효과를 주도하는 근본적인 힘을 모델링하고 더 깊이 이해했습니다. 팀의 연구 결과는 이 접근 방식이 더 높은 에너지 시스템으로 확장되어 더욱 밝고 에너지가 강한 양성자 빔을 구현할 수 있음을 시사합니다. 패러다임의 전환 Glenzer는 "이 작업은 전체 패러다임을 바꾸었습니다."라고 말했습니다.
"마침내 우리는 더 이상 시뮬레이션에 전적으로 의존하지 않습니다. 이제 우리는 실험적 관점에서 물리학을 구동하여 다양한 레이저 강도, 대상 밀도 및 환경 압력을 테스트할 수 있습니다. 전체 물리학 체제가 우리 앞에 있습니다." 특히 양성자 빔은 각 샷에서 40그레이에 해당하는 양을 지속적으로 전달했는데, 이는 양성자 치료에서 사용되는 표준 방사선량으로, 이 반복률로 작동하는 LPA로는 이전에는 달성하지 못했던 수치입니다. 게다가, 쉽게 접근할 수 있는 저에너지 레이저 시스템을 사용하여 결과를 얻었으며, 의학 및 산업 분야에서 LPA를 실용적으로 적용하기 위한 주요 진전을 보여줍니다.
참고문헌: MJV Streeter, GD Glenn, S. DiIorio, F. Treffert, B. Loughran, H. Ahmed , S. Astbury, M. Borghesi, N. Bourgeois, CB Curry, SJD Dann, NP Dover, T. Dzelzainis, OC Ettlinger, M. Gauthier, L. Giuffrida, SH Glenzer, RJ Gray, JS Green, GS Hicks, C. Hyland, V. Istokskaia, M. King, D. Margarone, O. McCusker, P. McKenna, Z. Najmudin, C. Parisuaña, P. Parsons, C. Spindloe, DR Symes, AGR Thomas, N. Xu 및 CAJ Palmer의 "플라스마 콜리메이션을 통한 고유속 양성자 빔의 안정적인 레이저 가속", 2025년 1월 24일, Nature Communications . DOI: 10.1038/s41467-025-56248-4 이 연구는 영국 STFC 러더퍼드 애플턴 연구소의 중앙 레이저 시설에서 진행되었으며, 미국 에너지부 과학국, 미국 에너지부 국가 핵 안보청, 미국 국가 과학 재단의 자금 지원을 받았습니다.
https://scitechdaily.com/scientists-accidentally-solved-a-major-proton-beam-problem/
메모 25130205 소스1.종합분석중_【】
종합분석1.
_[2-2】종이처럼 얇은 2d.msbase.qpeoms 양성자, 쿼크, 중성미자... 레이저 플라즈마 가속기는 그 활용도가 무한하다.
양성자 자체는 알파선 감마선 중력파처럼 좁은 전자기파 펄스를 사용하여 2d 극미세 두께에서 대부분 최적화 된다.
문제는 2-3.)에서 생긴다. 모든 샷에 적용될 빔발산을 막을 타켓 qpeoms 각샷에 3.) 물의 막이 수증기가 되어 프리즘 굴절렌즈가 될 필요성 있었다. 아이디어는 적중했다.
그리하여 2-1.)에서 지적한 단점들을 대부분 해소한다. 거대한 입자가속기 cern의 실험따위도 필요 없게 된다. 어허. 그리하여 놀라운 일이 3-1,2,3,4.)일어났다. 허허.
1.
과학자들은 우연히 주요 양성자 빔 문제를 해결했다. 레이저 구동 양성자 가속을 연구하는 연구자들은 각 레이저 펄스 후 표적을 교체하는 비효율성을 해결하기 위해 혁신적이고 자체 보충되는 물 시트 표적을 도입했다. 표적은 놀라운 부작용을 보였으며, 자연스럽게 초점이 맞춰지고 더 단단히 정렬된 양성자 빔을 생성했다.
과학자들은 고출력 레이저와 간단한 물줄기를 사용해 양성자 빔을 생성하는 혁신적인 방법을 찾아냈다. 크고 값비싼 가속기를 필요로 하는 기존 방법과 달리, 이 접근 방식은 레이저 플라즈마 가속기를 사용하여 컴팩트한 공간에서 초고속 양성자 빔을 생성한다.
1-1.양성자 빔 가속의 획기적인 진전
과학자들은 고반복율 레이저 플라스마 가속기를 사용하여 빠르고 밝은 양성자 빔을 생성하는 새로운 방법을 개발했다. Nature Communications 에 게재된 그들의 연구는 오랜 과제를 극복하고 이 기술을 실용적인 응용 분야로 끌어올렸다. 모두 단순한 물줄기의 도움으로 가능했다.
1-3.
이러한 흥미로운 결과는 의학, 가속기 연구 및 관성 핵융합 분야에서 상대론적 고출력 레이저의 새로운 응용 분야를 위한 길을 준다.
2.새로운 유형의 양성자 빔에 대한 필요성
양성자 빔은 물질을 정확하게 타겟팅할 수 있는 고속의 대전된 입자 흐름으로, 광범위한 응용 분야에 가치가 있다. 더 넓은 영역에 영향을 미치는 X선과 달리 양성자 빔은 특정 위치에 에너지를 축적하여 암 치료, 반도체 제조 및 고급 과학 연구 수행에 유용하다. 그러나 이러한 초고속 고에너지 빔을 생산하는 것은 여전히 어려운 일이다.
싱크로트론과 같은 전통적인 입자 가속기는 강력한 전자석을 사용하여 입자 빔을 가속, 조종 및 집중시킨다. 이러한 시스템은 과학적 발견에 필수적이었지만, 크기가 크고 비용이 많이 들기 때문에 산업 및 의료 분야에서 광범위하게 사용하기에는 비실용적이다. 일부 첨단 의료 센터는 이미 양성자 빔을 사용하여 종양을 치료하고 주변 조직의 손상을 최소화하면서 암세포를 선택적으로 파괴한다.
그러나 더 작고 비용 효율적인 양성자 빔 소스는 이 기술에 대한 접근성을 크게 확대하여 새로운 의료 치료와 산업적 응용 프로그램을 가능하게 할 수 있다.
2-2.레이저-플라스마 가속의 약속
레이저 플라스마 가속기(LPA)가 등장했다. LPA는 고강도 레이저를 사용하여 표적을 타격하여 기존 가속기를 사용하여 생성된 것과 비슷한 속도에 도달하는 대전 입자 빔을 생성하지만 [2-2]거리는 훨씬 짧다. 과학자들은 양성자 빔을 생성하는 소형의 비용 효율적인 방법으로 LPA를 연구하고 있지만, 여러 가지 기술적 과제가 진행을 방해했다.
2-3.)
한 가지 과제는 고강도 레이저에서 발생하는데, 이는 각 펄스 후에 타겟을 파괴하여 [2-3]모든 샷에 대해 새로운 타겟이 필요하다. 또 다른 문제는 빔 발산]입니다. LPA에서 생성된 양성자 빔은 일반적으로 좁은 초점을 유지하는 대신 플러드라이트처럼 퍼집니다. 타겟 교체의 필요성과 빔 발산은 모두 LPA 시스템의 효율성을 크게 떨어뜨립니다.
3.)물만 더하면 됩니다
최근 연구에서 연구자들은 예상치 못한 획기적인 진전을 이루어, 원래는 단 하나의 문제만 해결하려고 했지만 동시에 여러 문제를 해결했다.
STFC 러더퍼드 애플턴 연구소의 중앙 레이저 시설에서 일하는 팀은 SLAC의 연구자들이 개발한 새로운 타겟을 테스트하여 각 레이저 펄스 후에 타겟을 교체하는 비효율성을 해결했다. 기존의 고체 타겟을 사용하는 대신, 그들은 각 샷 후에 보충되는 자체 재생 스트림인 얇은 물 시트를 도입했다. 레이저가 물에 부딪혔을 때 예상대로 양성자 빔이 생성되었다.
3-1.)자기 집중의 놀라움
하지만 놀라운 일이 일어났다. 증발된 물이 표적 주위에 증기 구름을 형성했고, 이것이 양성자 빔과 상호 작용하여 자기장을 생성했다. 이러한 자기장은 자연스럽게 빔을 집중시켜 더 밝고 더 단단히 정렬된 양성자 빔을 생성했다.
고체 표적을 사용한 유사한 실험과 비교했을 때, 물 시트는 양성자 빔의 발산을 10배나 줄이고 빔의 효율성을 100배나 높였다. 양성자 빔은 놀라운 안정성을 보였으며, 수백 번의 레이저 샷에서 초당 5개의 펄스로 일관되게 작동했다.
3-2.)
이 효과는 완전히 예상치 못한 것이었다. 레이저, 물 시트, 진공 환경의 세부적인 속성을 포함한 이 실험의 수많은 변수는 이러한 예측을 불가능하게 만들었다.
하지만 이 현상을 관찰한 후, 팀은 실험 데이터를 사용하여 효과를 주도하는 근본적인 힘을 모델링하고 더 깊이 이해했다. 팀의 연구 결과는 이 접근 방식이 더 높은 에너지 시스템으로 확장되어 더욱 밝고 에너지가 강한 양성자 빔을 구현할 수 있음을 시사한다.
3-3.패러다임의 전환
이 작업은 전체 패러다임을 바꾸었다. 마침내 우리는 더 이상 시뮬레이션에 전적으로 의존하지 않는다. 이제 우리는 실험적 관점에서 물리학을 구동하여 다양한 레이저 강도, 대상 밀도 및 환경 압력을 테스트할 수 있다. 전체 물리학 체제가 우리 앞에 있다.
3-4.
특히 양성자 빔은 각 샷에서 40그레이에 해당하는 양을 지속적으로 전달했는데, 이는 양성자 치료에서 사용되는 표준 방사선량으로, 이 반복률로 작동하는 LPA로는 이전에는 달성하지 못했던 수치입니다. 게다가, 쉽게 접근할 수 있는 저에너지 레이저 시스템을 사용하여 결과를 얻었으며, 의학 및 산업 분야에서 LPA를 실용적으로 적용하기 위한 주요 진전을 보여줍니다.
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