Laserem hnané urychlování iontů představuje velmi slibnou metodu, která má potenciál nahradit klasické lineární či kruhové urychlovače stolním zařízením. Takovýto systém pak může najít uplatnění v medicíně například pro radioterapii či protonovou tomografii nebo v konceptech rychlého zapálení inerciální fúze a protonové radiografii.
Obr. 1: Elektrické pole vytvořené horkými elektrony na povrchu fólie po interakci s krátkým intenzivním laserovým pulsem. Toto pole je zodpovědné za urychlování iontů v procesu TNSA.
Horké elektrony, které jsou urychlovány v průběhu interakce laserového pulsu s terčem, mohou vytvářet dostatečně silné kvazistatické elektrické pole, jímž lze urychlit ionty na velmi vysoké energie. Pokud velké množství horkých elektronů opouští terč, stává se tento pozitivně nabitým a vzniklé silné elektrické pole pak urychluje ionty z jeho povrchu. Tento mechanismus urychlování se nazývá Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). V TNSA experimentech se jako terč často používají tenké fólie. Elektrony urychlené interakcí laseru s terčem mají dostatečně vysokou energii a v průběhu průletu tenkou fólií se směr jejich letu a energie téměř nemění. V místě, kde elektrony opouštějí terč, pak vzniká silné elektrostatické pole, jehož amplituda dosahuje až několika TV/m. Toto pole může snadno ionizovat atomy a vytvořené ionty následně urychlovat na velmi vysoké rychlosti.
Obr. 2: Elektrické pole při šikmém dopadu krátkého intenzivního p-polarizovaného laserového pulsu na velmi tenkou fólii.
Nejčastěji se v experimentech pozorují urychlené protony. Tyto protony jsou pozorovány i v takových TNSA experimentech, ve kterých materiál terče neobsahuje vodík. Pocházejí totiž z vrstvy vodní páry či uhlovodíkových sloučenin, která se usazuje na povrchu terče v průběhu vyčerpávání vzduchu z vakuové komory. Jelikož poměr náboje ku hmotnosti dosahuje největších hodnot právě pro protony, je jejich urychlování nejsilnější a dochází tak k potlačení urychlování jiných druhů iontů. V posledních experimentech bylo ukázáno, že znečištěnou vrstvu lze odstranit, pokud terč ještě před interakcí s laserem dostatečně zahřejeme. Díky tomu je pak možné urychlovat více těžších iontů.
Obr. 3: Rychlostní distribuční funkce iontů urychlených v procesu RPA. V horní polovině uprostřed je vidět svazek téměř monoenergetických iontů.
Výzkum urychlování iontů laserovými pulsy je motivován možnými aplikacemi tohoto zdroje rychlých iontů. V poslední době se jako nejvýznamnější aplikace uvádí použití iontů v lékařství při radioterapii. Zde je důležité, aby svazek urychlených iontů měl vysokou energii a poměrně úzké spektrum a aby byl urychlován s dostatečnou účinností. V této souvislosti se objevil nový způsob urychlování velmi tenkých terčů (tloušťka řádově jednotky nm), kdy za speciálních podmínek lze pomocí kruhově polarizovaného laserového pulsu urychlit celou část fólie, na kterou laserový svazek dopadá. Tento mechanismu je nazýván Radiation Pressure Acceleration (RPA) a v současné době se intenzivně zkoumá v mnoha laboratořích po celém světě.
(Více o problematice lze nalézt v: T. Esirkepov, M. Borghesi, S. V. Bulanov, G. Mourou, and T. Tajima. Highly Efficient Relativistic-Ion Generation in the Laser-Piston Regime, Phys. Rev. Lett. 92, 175003 (2004). Úvodní animace je převzata ze simulací v rámci Týdne vědy 2022 na ELI Beamlines na jejichž vytvoření se podíleli studenti Nino Peter Sládek a Martin Bodorník pod vedením Martina Matyse a Petra Valenty)
