德国物理学家表示，他们在激光驱动的等离子体粒子加速技术发展方面迈出了重要的一步。蒂姆·齐格勒和赫尔姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心 (HZDR) 的同事创造了能量高达 150 MeV 的质子脉冲。这比该技术的先前记录高出约 50%，是通过更好地利用激光脉冲的时间分布实现的。
传统粒子加速器使用射频腔来产生驱动粒子接近光速所需的高电压。这些设施往往很大;耗能大;而且通常需要昂贵的低温冷却。这限制了可以建造的设施数量和它们可以位于何处。如果加速器可以做得更小、更便宜，那么对于癌症治疗和材料科学等各种应用来说，这将是一大福音。
因此，人们对激光驱动的等离子体加速器的兴趣日益浓厚，因为它比传统系统更加紧凑、节能。
剥离电子
这些加速器的工作原理是向薄如晶片的固体靶发射强激光脉冲。脉冲将电子从靶上剥离，留下带正电的原子核。这在很短的距离内产生了很大的电压差——可用于加速质子等带电粒子的脉冲。
虽然这些电压梯度可能比传统加速器中的电压梯度大得多，但在该技术应用于实际设施之前必须克服重大挑战。
“由于离子能量增加的进展缓慢，等离子体质子加速的采用受到了阻碍，”齐格勒解释道。一个挑战是，当今的实验是在全球仅有的几台高功率、超短脉冲激光器之一上进行的——包括 HZDR 的 DRACO-PW 设施。“这些设施每天只发射几次，因此访问和可用性受到限制，”齐格勒补充道。
DRACO-PW 超短激光脉冲的一个奇特之处在于，部分光线先于主脉冲。这意味着激光的全部功率不会用于电离目标。但现在，齐格勒的团队已经将这一缺点转化为优势。
提前到达
“这种前置激光改变了我们的粒子源——一种薄塑料箔——使其对主激光脉冲透明，”齐格勒解释道。“这使得主脉冲的光能够更深地穿透箔片，并在超相对论强度下启动复杂的等离子体加速机制级联。”
研究人员在 DRACO-PW 上测试了这种方法。当他们之前照射固体箔靶时，等离子体将质子加速到高达 80 MeV 的能量。
在他们最新的实验中，他们用 22 J 的脉冲能量照射目标，并利用脉冲的前导部分来控制目标的透明度。这一次，他们将质子束加速到 150 MeV——几乎是他们之前记录的两倍。
该加速质子束由两个不同的部分组成：质子能量低于 70 MeV 的宽带分量;以及由在狭窄且边界清晰的光束中行进的质子组成的高能分量。
线性缩放
“值得注意的是，这种高能成分的最大质子能量随激光能量的增加而呈线性变化，这与低能成分的平方根变化有着根本的不同，”齐格勒解释道。实验还表明，固体靶的透明度与其与激光的相互作用密切相关，这为团队提供了对加速器性能的严格控制。
齐格勒相信，这一结果可能为更智能的加速器系统铺平道路。“这种对初始激光等离子体条件细微变化的敏感度使得该参数成为未来研究的理想选择，未来研究的目标是自动优化相互作用参数，”他说。
现在，他们已经提高了离子加速的效率，研究人员希望，激光驱动设施所需的空间和能源需求仅仅是传统设施的一小部分。
齐格勒表示，这将对医学产生重大变革。“我们的突破为研究新的放射生物学概念以进行精确、温和的肿瘤治疗，以及高效中子生成和先进材料分析的科学研究开辟了新的可能性。”
该项研究发表在《自然物理学》杂志上。
