Ez a nyalábvonal egy több GeV-os, több Hz-es, lézerrel meghajtott elektrongyorsító, amely a lézeres nyomdokhullámú gyorsítási mechanizmuson (LWFA) alapul. Egyedülálló tulajdonsága, hogy két különböző lézerfókuszálási geometriában – rövid és hosszú fókusztávolsággal – működik, így különböző alkalmazási területeken használható. Rövid fókusztávolság esetén „mérsékelt” relativisztikus energiákat (~400 MeV) és nagy töltésértéket (>nC) sikerült elérni.
Ilyen mértékű elektronkibocsátásának köszönhetően az ePW ideális eszköz a nagyon nagy energiájú elektronokat (VHEE) használó sugárterápiás beavatkozások kutatásához. Hosszú fókuszálással maximum 1 GeV-os elektronnyalábot detektáltunk, amely lehetővé teszi a keltett nagy energiájú betatron röntgensugarak használatát biológiai és ipari minták tomográfiás és egyéb képalkotói eljárásokkal történő vizsgálatát. Az ePW betatron röntgenképessége kiegészíti az ELI Beamlines Kutatóintézet Gammatron nyalábvonalát, és gyakorlatilag megduplázza az ELI kapacitását arra, hogy kompakt röntgen sugárforrásokat biztosítson a felhasználók számára.
„Az ePW nyalábvonal tervezése és építése hat évvel ezelőtt kezdődött Christos Kamperidis és Nasr A. M. Hafz vezető kutatók irányításával. Az első üzembe helyezési kísérlet 2025 júliusában indult. Célunk az volt, hogy a kísérleti állomást a nyalábidőre pályázó felhasználók rendelkezésére bocsátható állapotba hozzuk,” – mondta Nasr A. M. Hafz, a Részecskegyorsító Csoport vezetője.
Az elektronnyalábokat két különböző geometriai elrendezéssel állítottuk elő. Az egyik elrendezésnél – amelyet a Physical Review Research folyóiratban megjelent cikkben ismertetünk – az úgynevezett F-szám F15 volt, ami azt jelenti, hogy a fókuszpont átmérőjének körülbelül 15 μm-nek kellett lennie. A kísérlet során körülbelül 500 MeV energiájú elektronnyalábot keltettünk, ami szinte teljes mértékben megegyezett az elméleti modelleken és szimulációkon alapuló előrejelzéseinkkel. Tehát működött ez a rendkívül összetett rendszer.
Az eredményeket Lécz Zsolt (a cikk első szerzője), az ELI ALPS Részecskegyorsító Csoportjának elméleti fizikusa értelmezte. Az egyik elemzett jelenség az volt, hogy a gyorsítóból kilépő elektronnyalábok nem ugyanarra a pontra érkeztek (vagyis a kísérlet során a gyorsított elektronok szögeloszlása lövésenként különbözött).
Ez az iránybeli eltérés rendkívül komoly problémát jelent a lézeres gyorsítókban, mivel magát a plazmaközeget nehéz szabályozni, illetve nehéz minden alkalommal azonos paraméterekkel előállítani. Következésképpen a keletkező elektronnyalábok paraméterei sem mindig azonosak.
Zsolt elmélete szerint ez a jelenség nem magyarázható kizárólag a plazmasűrűség instabilitásával. A lézer és a plazma közötti kölcsönhatás során a lézerimpulzus úgynevezett vöröseltolódáson megy keresztül, és közel egyciklusúvá alakul. Emiatt az elektronok iránya a nyomdokhullámba való belépés után nem esik egybe tengellyel, ami destabilizálja a gyorsított elektronnyaláb irányzását. Részben ezért nem konvergálnak pontosan ugyanarra a pontra a lézeres plazmagyorsítókból származó elektronnyalábok. Egy másik ok a lézernyaláb intenzitásburkolójának aszimmetriája lehet, amit még a későbbiekben tanulmányozunk.
Ahhoz, hogy az elektronnyaláb minden alkalommal pontosan ugyanarra a pontra érkezzen, el kell kerülni a vöröseltolódási folyamatot a lézer–plazma kölcsönhatás során. Ez a plazmasűrűség vagy a plazmahossz, valamint bizonyos lézerparaméterek módosításával lehetséges, de ezeknek az eredményeknek a megerősítéséhez további kísérletekre van szükség. Az ELI ALPS fizikusai kísérletek útján igazolták ezt a mechanizmust. A probléma megoldása után olyan nyalábvonal áll majd rendelkezésre, amelyben az elektronnyalábok nagyobb valószínűséggel rendelkeznek egyforma szögeloszlással.
„Nagyon büszke vagyok arra, hogy ez az ePW laboratórium első tudományos eredménye. Ezzel lezárult az ePW rendszer kiépítése. A projekt hat évig zajlott, és ennek a cikknek a megjelenése jelenti a projekt utolsó állomását” – mondta Nasr Hafz. „Az is figyelemreméltó, hogy a kísérlet befejezésétől alig hat hónap telt el a cikk megjelenéséig az egyik legrangosabb szakfolyóiratban. Bár a kutató több mint száz publikációval büszkélkedhet – köztük olyanokkal, amelyek a Nature Photonics, a Science Advances, a PNAS, a HPLSE stb. folyóiratokban jelentek meg –, ez a cikk azért nagyon különleges számára, mert hat év munkájának betetőzését jelenti.
Hogyan segítheti ez az eredmény a felhasználók munkáját?
„Az ePW nyalábvonal használatára jelentkező ELI-felhasználók két csoportba sorolhatók. Számos felhasználó saját ötletei és berendezései segítségével kíván kiváló minőségű elektronnyalábokat előállítani. Ők a kutatási és fejlesztési kategóriába tartoznak. Mások az elektronnyalábot kísérleti eszközeként használják, köztük Hideghéty Katalin, az ELI ALPS Orvosbiológiai kutatócsoportjának vezetője, aki az elektronnyaláb segítségével végez radiobiológiai kutatásokat” – mondta a csoportvezető.
A fizikus szerint ez az eredmény mindkét csoport számára hasznos. Ráadásul az ePW nyalábvonal meghajtó lézere, azaz az ELI ALPS nagy intenzitású petawattos (HF PW) lézere is felkerült a felhasználók rendelkezésére álló eszközök listájára, ami fontos mérföldkőnek számít.