较小的激光设施使用新方法打破质子加速之前的记录

亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫中心 (HZDR) 在激光等离子体加速方面取得了重大进展。通过采用创新方法，研究小组成功地大幅超越了之前的质子加速记录。

他们第一次获得了迄今为止只有在更大的设施中才能实现的能量。正如研究小组在《自然物理学》杂志上报告的那样，在医学和材料科学中的有希望的应用现在变得更有可能。

激光等离子体加速开辟了有趣的前景：与传统加速器相比，它有望提供更紧凑、更节能的设施，因为新技术不是使用强大的无线电波来使粒子移动，而是使用激光来加速它们。

其原理是极短但高强度的激光脉冲在极薄的箔片上发射。光将材料加热到一定程度，以致无数电子从中产生，而原子核仍保持在原位。

由于电子带负电，原子核带正电，因此它们之间会在短时间内形成强电场。该场可以将质子脉冲弹射到仅几微米的距离，而使用传统加速器技术则需要更长的距离。

然而，这项技术仍处于研究阶段：到目前为止，只能通过使用世界上为数不多的超大型激光系统，才能实现高达 100 MeV 的质子能量。

为了使用更小的激光设施和更短的脉冲实现类似的高加速器能量，HZDR 物理学家 Karl Zeil 和 Tim Ziegler 团队寻求了一种新方法。它们利用了通常被视为缺陷的激光闪光特性。“脉冲的能量不会立即发挥作用，这将是理想的情况，”齐格勒报告说。“相反，一点激光能量冲在它前面，就像一种先锋。”

在新概念中，正是这种冲锋在前的光芒发挥着关键作用。当它撞击真空室中特制的塑料箔时，它可以以特定的方式发生变化。“箔片由于光的影响而膨胀，变得越来越热、越来越薄，”齐格勒解释道。“箔片在加热过程中有效地熔化。”

这对立即发生的初级脉冲产生积极影响：原本会大量反射光的箔片突然变得透明，这使得初级脉冲能够像之前的实验一样更深入地渗透到材料中。

“结果是材料中触发了一系列复杂的加速机制，”齐格勒说，“导致薄膜中包含的质子的加速速度远远超过我们的 DRACO 激光器的加速速度。”

该设施之前的质子能量约为 80 MeV，而现在可以产生 150 MeV，几乎是原来的两倍。为了实现这一记录，该团队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另一个令人愉悦的特性：高能质子表现出狭窄的能量分布，这意味着，形象地说，它们的速度几乎相同——这对于以后的应用来说是一个有利的特征——高而均匀的质子能量对此极其有益。

这些应用之一是研究新的放射生物学概念，以实现精确、温和的肿瘤治疗。使用这种方法，可以在很短的时间内施加非常高剂量的辐射。到目前为止，这些研究主要使用大型常规治疗加速器，这些加速器仅在德国的少数几个中心提供，当然，它们优先用于患者治疗。

新的 HZDR 程序现在使紧凑型激光系统的使用更有可能，使其他研究小组能够进行这些调查并促进辐射场景，这是传统系统无法提供的。“此外，当今的设施需要大量电力，”齐格勒说。“基于激光等离子体加速，它们可能会更加经济。”

该过程还可用于有效产生中子。激光闪光可用于产生短而强的中子脉冲，这对于科学技术以及材料分析具有重要意义。

在这里，等离子体加速器也有望显着扩展以前的应用领域。但首先，科学家们希望完善新方法并更好地理解它。除此之外，他们希望与其他实验室合作，更精确地控制过程并使技术更容易获得。进一步的记录也已提上议程：超过 200 MeV 的能量似乎完全有可能。

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