Вышедшие номера
Home » Журнал технической физики » Год 2025, выпуск 8 » Статья стр. 1522
<<<>>>
Оценка возможности создания плазменной оптики для пучков протонной лучевой терапии
Жидков Д.А. 1
1Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва, Россия
Email: zhidkov_da@nrcki.ru
Поступила в редакцию: 16 августа 2024 г.
В окончательной редакции: 10 марта 2025 г.
Принята к печати: 25 марта 2025 г.
Выставление онлайн: 14 июля 2025 г.
PDF версия
Численно, методом частицы в ячейке, учитывающим столкновения, исследована возможность использования плазмы как оптического элемента для управления нерелятивистскими протонными пучками с энергией порядка 250 MeV, используемых в протонной лучевой терапии. Такая оптика позволила бы существенно снизить вторичное излучение в процессах коллимации, рассеяния или поворота стандартного протонного пучка, а также стала бы важной частью управления ионными пучками, ускоряемыми в плазме, формируемой короткими мощными лазерными импульсами. Пассивная плазменная оптика для нерелятивистских пучков протонной лучевой терапии возможна лишь в плазме, формируемой оптической ионизацией среды короткоимпульсным лазерным излучением. Оптическая ионизация газовой среды позволяет осуществлять формирование значительных плазменных градиентов с температурой электронов, зависящей от интенсивности ионизирующего лазерного излучения, a0. Генерируемое при этом поперечное электрическое поле E normal =-nabla normal [NeTe(a0)]/eNe (для релятивистских интенсивностей лазерного излучения a0>1 температура электронов линейно зависит от a0: Te(a0)~ mc2a0) может иметь напряженность, достаточную для серьезного влияния на протонные и даже ионные пучки. В экспериментах это проявляется как быстрое (взрывное) формирование плазменных каналов даже при относительно невысоких интенсивностях коротких лазерных импульсов. Структура взрывных плазменных каналов зависит от фокусировки и поляризации лазерного излучения и его мощности. При прохождении вдоль такого канала даже нерелятивистские протонные пучки могут фокусироваться, рассеиваться или отклоняться от первоначальной траектории. Ключевые слова: протонная лучевая терапия, медицинская физика, пучки в плазме, плазменные каналы.
  1. Г.И. Клёнов, В.С. Хорошков. УФН, 186, 891 (2016)
  2. Е.М. Иванов, Г.И. Клёнов, В.И. Максимов, В.С. Хорошков, А.Н. Черных. Медицинская радиология и радиационная безопасность, 67, 41 (2022)
  3. B.J. Smit, H. Breuer. Proton Therapy and Radiosurgery (Springer-Verlag Berlin AND Heidelberg Gmbh \& Co. KG, 2010)
  4. J. Metz. Proton Therapy ( Radiation Medicine Rounds) (Springer Publishing Company, 2010)
  5. F. Kroll, F.E. Brack, C. Bernert, S. Bock, E. Bodenstein, K. Bruchner, T.E. Cowan, L. Gaus, R. Gebhardt, U. Helbig, L. Karsch, T. Kluge, S. Kraft, M. Krause, E. Lessmann, U. Masood, S. Meister, J. Metzkes-Ng, A. Nossula, J. Pawelke, J. Pietzsch, T. Puschel, M. Reimold, M. Rehwald, C. Richter, H-P. Schlenvoigt, U. Schramm, M.E.P. Umlandt, T. Ziegler, K. Zeil, E. Beyreuther. Nature Phys., 18, 316 (2022)
  6. H. Daido, M. Nishiuchi, A. Pirozhkov. Rep. Prog. Phys., 75, 056401 (2012)
  7. T. Hihara, M. Kanasaki, T. Asai, T. Kusumoto, S. Kodaira, H. Kiriyama, K. Oda, T. Yamauchi, W. Woon, Y. Kuramitsu, Y. Fukuda. Scientific Reports, 11, 16283 (2021)
  8. S. Sandri, G. Ottaviano, C. Poggi, M. Carpanese, L. Picardi, C. Ronsivalle. Proceedings of IPAC2011 (San Sebastian, Spain, 3583, 2011)
  9. C.E. Doss, E. Adli, R. Ariniello, J. Cary, S. Corde, B. Hidding, M.J. Hogan, K. Hunt-Stone, C. Joshi, K.A. Marsh, J.B. Rosenzweig, N. Vafaei-Najafabadi, V. Yakimenko, M. Litos. Phys. Rev. Accel. Beams, 22, 111001 (2019)
  10. S. Kuschel, D. Hollatz, T. Heinemann, O. Karger, M.B. Schwab, D. Ullmann, A. Knetsch, A. Seidel, C. Rodel, M. Yeung, M. Leier, A. Blinne, H. Ding, T. Kurz, D.J. Corvan, A. Savert, S. Karsch, M.C. Kaluza, B. Hidding, M. Zepf. Phys. Rev. Accel. Beams, 19, 07101 (2016)
  11. N. Pathak, A. Zhidkov, D. Oumbarek Espinos, T. Hosokai. Phys. Plasmas, 30, 063103 (2023)
  12. R. Lehe, C. Thaury, E. Guillaume, A. Lifschitz, V. Malka. Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams, 17, 121301 (2014)
  13. C. Thaury, E. Guillaume, A. Dopp, R. Lehe, A. Lifschitz, K. Ta Phuoc, J. Gautier, J.-P. Goddet, A. Tafzi, A. Flacco, F. Tissandier, S. Sebban, A. Rousse, V. Malka. Nat. Commun., 6, 6860 (2015)
  14. Zh. Jin, H. Nakamura, N. Pathak, Y. Sakai, A. Zhidkov, R. Sueda, R. Kodasma, T. Hosokai, Sci. Reports, 9, 20045 (2019)
  15. J.B. Svensson, D. Guenot, J. Ferri, H. Ekerfelt, I.G. Gonzalez, A. Persson, K. Svendsen, L. Veisz, O. Lundh. Nat. Phys., 17, 639 (2021)
  16. W.K.H. Panofsky, W. Baker. Rev. Sci. Instrum., 21, 445 (1950)
  17. J. Van Tilborg, S. Steinke, C. Geddes, N.H. Matlis, B.H. Shaw, A.J. Gonsalves, J.V. Huijts, K. Nakamura, J. Daniels, C.B. Schroeder, C. Benedetti, E. Esarey, S.S. Bulanov, N.A. Bobrova, P.V. Sasorov, W.P. Leemans. Phys. Rev. Lett., 115, 184802 (2015)
  18. R. Pompili, M.P. Anania, M. Bellaveglia, A. Biagioni, S. Bini, F. Bisesto, E. Brentegani, F. Cardelli, G. Castorina, E. Chiadroni, A. Cianchi, O. Coiro, G. Costa, M. Croia, D. Di Giovenale, M. Ferrario1, F. Filippi, A. Giribono, V. Lollo, A. Marocchino, M. Marongiu, V. Martinelli, A. Mostacci, D. Pellegrini, L. Piersanti, G. Di Pirro, S. Romeo, A.R. Rossi, J. Scifo, V. Shpakov, A. Stella, C. Vaccarezza, F. Villa, A. Zigler. Phys. Rev. Lett., 121, 174801 (2018)
  19. A. Zhidkov, T. Fujii, K. Nemoto. Phys. Rev. E, 78, 036406 (2008)
  20. В.Л. Гинзбург. Распространение электромагнитных волн в плазме (Гос. изд-во Физматлит, 1960)
  21. P. Gibbon. Short Pulse Laser Interactions with Matter: An Introduction (WORLD Scientific Publishing Co Pte LTD, 1999)
  22. W.H. Bennett. Phys. Rev., 45, 890 (1934)
  23. W.H. Bennett. Phys. Rev., 98, 1584 (1955)
  24. G.J. Budker. Proceedings of the CERN Symposium on High EnergyAccelerators and Pion Physics, 68 (CERN Service D'Information, Geneva, 1956)
  25. Y. Mizuta, T. Hosokai, S. Masuda, A. Zhidkov, K. Makito, N. Nakanii, S. Kajin, A. Nishidf, M. Kando, M. Mori, H. Kotaki, Y. Hayashi, S.V. Bulanov, R. Kodama. Phys. Rev. ST-AB 15, 121301 (2012)
  26. L. Feder, B. Miao, J.E. Shrock, A. Goffin, H.M. Milchberg. Phys. Rev. Res., 2, 043173 (2020)
  27. T.R. Clark, H.M. Milchberg. Phys. Rev. E, 57, 3417 (1998)
  28. K. Krushelnick, A. Ting, C.I. Moore, H.R. Burris, E. Esarey, P. Sprangle, M. Baine. Phys. Rev. Lett., 78, 4047 (1997)
  29. R.J. Shallo, C. Arran, L. Corner, J. Holloway. Phys. Rev. E, 97, 053203 (2018)
  30. J.E. Shrock, B. Miao, L. Feder, H.M. Milchberg. Phys. Plasmas, 29, 073101 (2022)
  31. С.И. Брагинский. Вопросы теории плазмы, под ред. М.А. Леонтовича (Госатомиздат, 1963), вып. 1, с. 183
  32. N. Pathak, A. Zhidkov, N. Nakanii, S. Masuda, T. Hosokai, R. Kodama. Phys. Plasmas, 23, 033102 (2016)
  33. Ч. Бэдсел, А. Лэнгдон. Физика плазмы и численное моделирование (Энергоатомиздат, М., 1989)
  34. J. Villasenor, O. Buneman. Comput. Phys. Commun., 69, 306 (1992)
  35. Д.А. Жидков. ЖТФ, 88, 963 (2018)
  36. Б.А. Трубников. Вопросы теории плазмы (Госатомиздат, М., 1963), в. 1, с. 98
  37. T. Tajima. Computational Plasma Physics (Addison-Wesley, NY., 1989)
  38. I. Pogorelsky, M. Babizen, I. Pavlishin, D. Stolyarov, V. Yakimenko, P. Shkolnikov, A. Pukhov, A. Zhidkov, V.T. Platonenko. High-Power Laser Ablation Proceedings, 6261, 626118 (2006)
  39. M.N. Polyansiy, M. Babizen, I.V. Pogorelsky. Optica, 2, 675 (2015)
  40. T. Hosokai, A. Zhidkov, A. Yamazaki, Y. Mizuta, M. Uesaka, R. Kodama. Appl. Phys. Lett., 96, 121501 (2010).

Учредители

Издатель

© 2025 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Powered by webapplicationthemes.com - High quality HTML Theme