Plazma laserowa jako źródło wysokoenergetycznych jonów stwarza duże możliwości aplikacyjne w medycynie oraz różnych dziedzinach nauki i techniki. W szczególności, dotyczy to wykorzystania strumieni protonów do terapii nowotworów (tzw. terapii hadronowej) oraz radiografii. Jedną z powszechnie stosowanych metod generacji strumieni protonów z plazmy laserowej jest tzw. mechanizm TNSA (Target Normal Sheath Acceleration), która polega na przyśpieszaniu protonów powstałych w wyniku oświetlenia promieniowaniem laserowym cienkiej tarczy zawierającej wodór. Protony przyśpieszane są w kierunku normalnym do tarczy, zgodnym z kierunkiem lasera, a ich energia zależy od wielkości pola elektrycznego, określonego przez temperaturę i koncentrację elektronową plazmy ablacyjnej. A zatem najbardziej idealną tarczą, z punktu widzenia metody TNSA, powinna być tarcza zawierająca czysty zestalony wodór, czyli wodór zamrożony do temperatury -261^oC.

Pionierskie badania w tym zakresie zostały podjęte na eksperymencie laserowym PALS (Prague Asterix Laser System) przez grupę czeskich fizyków (z Institute of Plasma Physics ASCR, the Institute of Physics ASCR oraz Extreme Light Infrastructure (ELI)) we współpracy międzynarodowej z naukowcami z Francji (SBT/INAC - Le Service des Basses Températures/Institute of Nanosciences and Cryogenics, Grenoble), Włoch (Instituto Nazionale Fisica Nucleare - INFN, Pisa) oraz Polski (Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion – IPPLM, Warsaw). W eksperymentach wykorzystywana jest unikalna aparatura (kriostat helowy, pokazany na fotografii - rys. 1) zbudowana w laboratorium SBT/INAC we współpracy z Ośrodkiem ELI, umożliwiający wytwarzać cienką taśmę (o grubości około 60 mm) z zestalonego wodoru (o temperaturze -261^oC), która stanowi tarczę do wytwarzania strumieni protonów metodą TNSA.

Rys. 1 Rozmieszczenie aparatury na eksperymencie PALS.

Pierwsze eksperymenty zrealizowane 24 sierpnia 2015 roku zakończyły się sukcesem, potwierdzając możliwość uzyskania wiązki wysokoenergetycznych protonów z gorącej plazmy wodorowej, a tym samym przydatność zbudowanej aparatury do rozwijania tej nowej idei pod kątem różnych aplikacji. W celu poznania parametrów plazmy wodorowej i generowanych z niej strumieni protonów, stosowano różne diagnostyki (spektroskopowe, jonowe oraz wielokadrową interferometrię) przygotowane przez międzynarodowe zespoły z udziałem naukowców z Czech, Francji, Włoch oraz Polski. Wymiernym wkładem naukowym strony polskiej w te badania to pomiary jonowe oraz interferometria w których wykorzystywana była aparatura diagnostyczna zbudowana w IFPiLM.

Szczególnie przydatną diagnostyką okazała się femtosekundowa 3-kadrowa interferometria, którą udało się z sukcesem zaimplementować w drugiej sesji pomiarowej na tym eksperymencie, która odbyła się dwa tygodnie temu (w pierwszej połowie grudnia 2015 roku). Przykładowa sekwencja interferogramów ilustrujących proces ekspansji protonowej plazmy ablacyjnej, podczas oddziaływania impulsu laserowego z tarczą z „lodu wodorowego” przedstawiona jest na rys. 2.

Rys. 2 Interferogramy zarejestrowane za pomocą femtosekundowego 3-kadrowego interferometru ilustrujące oddziaływanie lasera jodowego PALS o energii około 600 J z tarczą z zestalonego wodoru o temperaturze -261^oC.

Oczekuje się, że ilościowa analiza wyników badań interferometrycznych pozwoli uzyskać informacje o rozkładach koncentracji elektronowej w plazmie ablacyjnej w różnych chwilach jej ekspansji, a następnie określić takie parametry plazmy jak skala gęstości i maksymalny gradient, które są kluczowe w ocenie procesów akceleracji strumieni protonów biorąc pod uwagę mechanizm TNSA. Interpretacja tych wyników w połączeniu z wynikami pomiarów z innych diagnostyk pozwoli poznać wpływ warunków oświetlenia tarcz wodorowych, możliwych do uzyskania na eksperymencie PALS, na wymagane parametry strumieni protonów pod kątem różnych zastosowań.