德勒斯登-羅森多夫亥姆霍茲中心（HZDR）在雷射等離子體加速方面取得了重大進展。透過採用一種創新方法，一個研究小組成功地大幅超越了先前的質子加速記錄。他們首次獲得了迄今為止只有在更大的設備上才有可能實現的能量。研究小組在《自然-物理》雜誌上報告說，醫學和材料科學領域的應用前景現在變得更加廣闊。

HZDR 的一個研究小組採用一種創新方法，成功地透過雷射脈衝大幅提高了質子的加速度。圖片來源：HZDR / Blaurock

緊湊型高能效加速器

雷射等離子體加速技術開闢了有趣的前景。與傳統加速器相比，它有望提供更緊湊、更節能的設施–因為新技術不是利用強大的無線電波來推動粒子運動，而是利用雷射來加速粒子。

其原理是用極短但高強度的雷射脈衝照射薄如晶片的箔片。光線將材料加熱到一定程度，使無數電子從材料中產生，而原子核則保持原位。由於電子帶負電，而原子核帶正電，因此它們之間會在短時間內形成一個強大的電場。此電場可將質子脈衝彈射到僅幾微米的範圍內，達到使用傳統加速器技術需要更長距離才能達到的能量。

然而，這項技術仍處於研究階段：迄今為止，只有透過使用超大型雷射系統才能實現高達100 MeV 的質子能量，而世界上這樣的雷射系統屈指可數。為了利用較小的雷射設備和較短的脈衝達到類似的加速器高能量，HZDR 的物理學家Karl Zeil 和Tim Ziegler 團隊採用了一種新方法。

他們利用了雷射閃光的一個特性，而這個特性通常被視為缺陷。齊格勒報告說：”一個脈衝的能量不會立即啟動，這是最理想的情況。取而代之的是，一小部分雷射能量衝到它的前面，就像一種先鋒隊。”

突然透明

在這新概念中，起關鍵作用的正是這種衝向前方的光線。當它照射到真空室中專門製造的塑膠薄膜上時，就會以特定的方式改變塑膠薄膜。

“箔片在光的作用下膨脹，溫度越來越高，厚度越來越薄，”齊格勒解釋道。 “在加熱過程中，箔片會有效融化”。

這對緊接而來的主脈衝產生了積極影響：原本會反射大部分光線的箔片突然變得透明，這使得主脈衝能夠比以前的實驗更深入地穿透材料。

齊格勒說：”結果是在材料中觸發了複雜的級聯加速機制，導致薄膜中的質子比我們的DRACO 雷射器加速得更快。用數字表示：該設備以前可以產生大約80 兆電子伏的質子能量，而現在可以產生150 兆電子伏，幾乎翻了一番。

為了創下這項紀錄，研究小組必須進行一系列實驗，以接近完美的相互作用參數，例如所用薄膜的最佳厚度。在分析測量數據時，研究小組發現加速粒子束還有一個令人滿意的特性：高能量質子的能量分佈很窄，也就是說，它們的速度幾乎一樣快–這對以後的應用非常有利，因為高而均勻的質子能量對這些應用極為有利。

優勢：能源效率

其中一項應用是研究新的放射生物學概念，以精確、溫和地治療腫瘤。使用這種方法，可以在很短的時間內使用高劑量的輻射。在這些研究中，迄今為止主要使用的是大型傳統治療加速器，這種加速器只有德國的少數中心才有，當然也優先用於病人的治療。

現在，新的HZDR 程序使緊湊型雷射系統的使用變得更有可能，從而使更多的研究小組能夠進行這些研究，並為傳統系統無法提供的輻射場景提供便利。

齊格勒說：”此外，如今的設備需要大量的電力。基於雷射等離子體加速，它們可以更加經濟。”

該程式還可用於高效生成中子。雷射閃爍可用於產生短而強烈的中子脈衝，這在科學和技術以及材料分析中都很有意義。在這方面，等離子體加速器也有望大大擴展先前的應用領域。但首先，科學家們希望改進這種新方法並更好地理解它。除此之外，他們還希望與其他實驗室合作，以便更精確地控制流程，並使這項技術更加普及。進一步刷新紀錄也已提上日程：能量超過200 MeV 似乎完全有可能。

編譯來源：ScitechDaily