【前沿资讯】科学家利用水流突破质子束加速技术难题

    在医学、微电子等领域，质子束的应用前景广阔，但产生超快、高能质子束却面临诸多挑战。如今，科学家们开发出一种突破性方法，利用高重复率激光等离子加速器产生快速、明亮的质子束，且这一切的助力竟是一股水流。

 

科学家利用水流突破质子束加速技术难题


    质子束是高速带电粒子流，能将能量精准沉积在特定位置，精度远超X射线等其他来源，在治疗肿瘤、蚀刻微芯片和半导体特征等方面极具价值。然而，传统粒子加速器如同步加速器，依靠电磁铁加速、控制和聚焦粒子束，体积庞大限制了其在工业和临床的应用。激光等离子加速器（LPA）应运而生，它用高强度激光撞击目标产生带电粒子束，速度可媲美传统加速器，但距离仅为其一小部分，有望成为紧凑、经济高效的质子束生成方式。不过，技术挑战接踵而至：高强度激光每次脉冲后会摧毁目标，需更换新目标，效率低下；且LPA产生的质子束通常发散严重，像泛光灯般散开，难以保持狭窄焦点。


    在STFC卢瑟福阿普尔顿实验室的中央激光设施中，研究人员测试了由SLAC研究人员开发的新靶，以解决更换靶的低效率问题。他们创新性地引入一层薄薄的水，形成自补充水膜靶。当激光照射到水面上时，产生预期的质子束。更令人惊喜的是，蒸发的水在靶周围形成蒸汽云，与质子束相互作用产生磁场，自然聚焦光束，使其更亮、更紧密对齐。与固体靶实验相比，水片将质子束发散度降低一个数量级，效率提高一百倍，且质子束在数百次激光发射中表现出非凡稳定性，以每秒五个脉冲的速度运行。


    这一突破改变了LPA技术范式，研究人员不再完全依赖模拟，可从实验角度推动物理研究，测试不同激光强度、目标密度和环境压力等。质子束每次发射持续释放相当于40格雷的辐射剂量，是质子治疗中标准剂量，而在此重复率下运行的LPA从未达到过。此外，这些成果是使用低能激光系统实现的，标志着LPA在医学和工业实际应用方面取得重大进步。


    这项发表在《自然通讯》上的研究，为相对论高功率激光器在医学、加速器研究和惯性聚变领域的新应用铺平了道路，有望推动相关技术迈向更广阔的应用前景。

创建时间：2025-02-19 10:14
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