紧凑型激光等离子加速器打破质子能量记录

德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）在激光等离子体加速方面取得了重大进展。通过采用一种创新方法，一个研究小组成功地大幅超越了之前的质子加速记录。他们首次获得了迄今为止只有在更大的设备上才有可能实现的能量。研究小组在《自然-物理》杂志上报告说 ，医学和材料科学领域的应用前景现在变得更加广阔。

HZDR 的一个研究小组采用一种创新方法，成功地通过激光脉冲大幅提高了质子的加速度。图片来源：HZDR / Blaurock

紧凑型高能效加速器

激光等离子体加速技术开辟了有趣的前景。与传统加速器相比，它有望提供更紧凑、更节能的设施--因为新技术不是利用强大的无线电波来推动粒子运动，而是利用激光来加速粒子。

其原理是用极短但高强度的激光脉冲照射薄如晶片的箔片。光线将材料加热到一定程度，使无数电子从材料中产生，而原子核则保持原位。由于电子带负电，而原子核带正电，因此它们之间会在短时间内形成一个强大的电场。该电场可将质子脉冲弹射到仅几微米的范围内，达到使用传统加速器技术需要更长距离才能达到的能量。

然而，这项技术仍处于研究阶段：迄今为止，只有通过使用超大型激光系统才能实现高达 100 MeV 的质子能量，而世界上这样的激光系统屈指可数。为了利用较小的激光设备和较短的脉冲达到类似的加速器高能量，HZDR 的物理学家 Karl Zeil 和 Tim Ziegler 团队采用了一种新方法。

他们利用了激光闪光的一个特性，而这一特性通常被视为缺陷。齐格勒报告说："一个脉冲的能量不会立即启动，这是最理想的情况。取而代之的是，一小部分激光能量冲到它的前面，就像一种先锋队。"

突然透明

在这一新概念中，起关键作用的正是这种冲向前方的光线。当它照射到真空室中专门制造的塑料薄膜上时，就会以特定的方式改变塑料薄膜。

"箔片在光的作用下膨胀，温度越来越高，厚度越来越薄，"齐格勒解释道。"在加热过程中，箔片会有效地融化"。

这对紧随其后的主脉冲产生了积极影响：原本会反射大部分光线的箔片突然变得透明，这使得主脉冲能够比以前的实验更深入地穿透材料。

齐格勒说："结果是在材料中触发了复杂的级联加速机制，导致薄膜中的质子比我们的 DRACO 激光器加速得更快。用数字表示：该设备以前可以产生大约 80 兆电子伏的质子能量，而现在可以产生 150 兆电子伏，几乎翻了一番。"

为了创下这一纪录，研究小组必须进行一系列实验，以接近完美的相互作用参数，例如所用薄膜的最佳厚度。在分析测量数据时，研究小组发现加速粒子束还有一个令人满意的特性：高能质子的能量分布很窄，也就是说，它们的速度几乎一样快--这对以后的应用非常有利，因为高而均匀的质子能量对这些应用极为有利。

优势：能源效率

其中一项应用是研究新的放射生物学概念，以精确、温和地治疗肿瘤。使用这种方法，可以在很短的时间内使用很高剂量的辐射。在这些研究中，迄今为止主要使用的是大型传统治疗加速器，这种加速器只有德国的少数几个中心才有，而且当然要优先用于病人的治疗。

现在，新的 HZDR 程序使紧凑型激光系统的使用变得更有可能，从而使更多的研究小组能够进行这些研究，并为传统系统无法提供的辐射场景提供便利。

齐格勒说："此外，如今的设备需要大量的电力。基于激光等离子体加速，它们可以更加经济。"

该程序还可用于高效生成中子。激光闪烁可用于产生短而强烈的中子脉冲，这在科学和技术以及材料分析中都很有意义。在这方面，等离子体加速器也有望大大扩展以前的应用领域。但首先，科学家们希望改进这种新方法并更好地理解它。除其他事项外，他们还希望与其他实验室合作，以便更精确地控制过程，并使这项技术更加普及。进一步刷新纪录也已提上日程：能量超过 200 MeV 似乎完全有可能。

编译来源：ScitechDaily