شتاب یونی حاصل از لیزر معمولا با پرتاب پالس‌های بسیار شدید لیزر در فویل‌های الماس‌مانند کربن به وجود می‌آید. پالس‌های نوری، الکترون‌ها را از اتم‌های موجود در فویل‌ها جدا می‌کنند، و در نهایت پلاسمای الکترونی با ابر منفی تولید می‌شود. این پلاسما نیز یک میدان الکتریکی ایجاد می‌کند که سپس یون‌های کربن با بار مثبت را از فویل موجود شتاب می‌دهد.

در حال حاضر، تیمی به سرپرستی جورج شرایبر (Jorg Schreiber) در ال ام یوی مونیخ محاسبه کرده‌اند که انرژی یون‌های کربن حاصل شده می‌تواند با استفاده از پالس‌های لیزر بالا برده شود. چنین پالس‌هایی، وقوع فرایند پربازدهی با نام شتابِ فشاری پرتو (RPA) را ممکن می‌سازد. البته تولید چنین پالس‌هایی به صورت تجربی، چالش بسیار سختی است. شرایبر می‌گوید « RPA به‌صرفه‌ترین روش برای شتاب‌دارکردن یون‌هاست». او می‌افزاید: «به طور خاص، RPA در مقایسه با سایر روش‌ها، به طور قابل‌ملاحظه‌ای یون‌های بیشتری را تا رسیدن به انرژی‌های بیشتر تقویت می‌کند و در نهایت توزیع غیرپنانسیلی انرژی را ممکن می‌سازد».

شکل‌گیری پالس‌ها

برای ایجاد پالس‌های لیزرِ به خوبی شکل‌گرفته، شرایبر و همکارانش یک سوی یک فویل کربنی الماس مانند، به ضخامت 10 نانومتر را با فومی از نانولوله‌های کربنی لایه‌نشانی کردند. زمانی که لیزر فوم را درخشان می‌کند، پلاسمای با چگالی نزدیک به چگالی بحرانی شکل می‌گیرد که مانند یک عدسی عمل کرده و بر روی پالس‌های در حال عبور لیزر کانونی می‌شود. شرایبر در این‌باره می‌گوید : «فومِ نانولوله‌ها، پلاسمایی را فراهم می‌آورد که هم از لحاظ زمانی و هم از نظر فضایی مانند یک محیط غیرخطی برای شکل‌گیری لیزر عمل می‌کند تا گزینه بسیار مناسبی برای RPA شود».

این محققان برای آزمودن رهیافت‌شان آزمایشات متعددی را با استفاده از پالس‌هایی در محدوده فمتوثانیه با لیزر گمینی (Gemini laser) در آزمایشگاه رادرفورد اَپِلتون انجام دادند. با مقایسه شکل‌های زمانی پالس لیزر فرودی و پالس عبوری از لایه نانولوله کربنی سراشیب‌شدن بارز پالس به خوبی دیده می‌شود. همچنین می‌توان دریافت که زمان اوج پالس تا حد 4 فمتوثانیه توسط نانولوله‌ها کاهش یافته است. علاوه براین، شدت لیزر نیز افزایش یافته و مقادیر پیک‌های آن به بیش از 10 برابر شدت پیک در خلا رسیده است.

محققان این طیف یونی که حاصل پرتاب پالس‌های قطبیده لیزر در فیلم‌های کربنی الماس-مانند با ضخامت‌های مختلفی از نانولوله‌های کربنی است را ضبط کرده‌اند. آن‌ها دریافتند که انرژی یون‌ها با افزایش ضخامت فوم نانولوله کربنی افزایش می‌یابد. بهترین عملکرد برای لایه‌ای به ضخامت 5 میکرومتر مشاهده شد، که بیشینه انرژی یون‌های کربن شتاب‌دار را تقریبا تا سه برابر یک فویل کربنی الماس‌-مانند بدون لایه، از مقدار 80 مگا‌الکترون‌ولت تا تقریبا  مگا‌الکترون‌ولت240 افزایش می‌دهد.

خروجی تقویت‌شده

این بیشینه انرژی (20 مگاالکترون‌ولت به ازای هر نوکلئون) به طور قابل‌توجهی نسبت به شتاب یون‌های حاصل از لیزر که قبلا به دست آمده بود بیشتر شده است و تحقیقات را بر روی سلول‌های با باریکه‌های یون کربن برای اولین بار ممکن می‌سازد. اگرچه، انرژی‌هایی در حدود حداقل 1 گیگاالکترون‌ولت برای کاربردهای پزشکی مورد نیاز خواهد بود که تقریبا پنج برابر بیشتر از مقدار بدست آمده در این بررسی است.

با توجه به کار این محققان، تقویت توان خروجی تا این سطح غیرممکن نیست. آزمایشات پیش رو لیزر فوق کوتاه 3 PW ATLAS-3000 را به کار خواهند گرفت که در مرکز جدید کاربردهای پیشرفته لیزر (CALA) در گارچینگ در حال احداث است. این سیستم با ادغام انرژی افزایش یافته از فویل‌های لایه‌نشانی شده با نانولوله‌های کربنی می‌تواند یون‌های شتاب‌دار حاصل از لیزر را به عنوان ابزار قابل استفاده‌تری فراهم آورد.

این تیم همچنین قصد دارد تا فراتر از آزمایشات اثبات مفهومی رود و ایجاد یون‌های کربنی با انرژی 20 مگاالکترون‌ولت در هر واحد جرم اتمی را اثبات کند. اثبات این موضوع شامل آزمایشات سلولی و در آینده نزدیک همچنین مطالعه بر روی حیوانات کوچک نیز خواهد بود.

به گفته شرایبر «به طور موازی،  ما در حال پراکنده کردن کل دنیا برای تبلیغ آخرین فن‌آوری در شتاب لیزری هستیم، تا این آگاهی را در بین کاربردهای بالقوه در زمینه‌‌‌های مختلف علوم  بالا ببریم». به گفته شرایبر این ادعا که یون‌های شتاب‌دار لیزری در نهایت ایجاد یک سیستم ذره-درمانی با هزینه بسیار کم را فراهم می‌آورد هنوز زود است. او می‌گوید: «این چالش صرفا چالش ساده‌ای برای ایجاد یک شتاب‌دهنده ارزان‌تر نیست- شتاب لیزری باید کیفیت جدیدی را فراهم آورد که با ابزارهای دیگر خیلی قابل وصول نیست».

منبع: