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控制入射激光的偏振提高质子束的质量

  通过控制入射激光的偏振,可以提高激光加速质子束的质量,在英国的研究人员已经发现这一结论。这一发现可以帮助物理学家创造用于医学、光刻技术甚至天体物理学方面的紧凑型的质子束源。

  质子和其他的正离子的光束有广泛的应用,包括粒子物理、材料加工和医学等方面。例如,质子束疗法可在最小限度对周围组织造成损伤的条件下用来摧毁一些癌性肿瘤。然而,实际使用的质子和离子束受到需要较大和昂贵的粒子加速器以产生高品质的光束源这一条件的约束阻碍。

  一个可以探索的方向是激光等离子体加速,在其中是加载一个高功率的激光脉冲到目标上。这就可以创建一个其中电子和离子分离的等离子体。这就创建了一个包含加速的质子、离子和电子到很高能量的大的电场。

  复杂的过程

  这是一个很复杂的过程,位于德国德累斯顿马克思·普朗克研究所的复杂系统的Felix Mackenroth解释说:“这个光束的质量非常非常低。我们基本上是发射一束激光到一个铝箔上,并希望有好的事发生。”

  在以前的研究中,Paul McKenna和其在斯凯莱德大学的同事,以及在贝尔法斯特皇后大学和牛津郡的英国科学技术委员会卢瑟福阿普尔顿实验室的研究人员一起,用卢瑟福阿普尔顿实验室的双子激光器从超薄铝箔进行电子激光的加速。一个强大的激光脉冲从双子激光器中发出击中铝箔,使其加热,成为一个等离子体。这盘等离子体在铝箔层相对于脉冲是透明的,研究人员能够证明脉冲通过等离子盘即通过一个经典的孔径后会发生衍射。此外,他们发现,从铝箔发射的电子的图案是取决于入射激光光的偏振态的。

  水蒸气

  在这项最新的研究中,研究小组采用了一种类似的方法来加速质子的加速。尽管他们的实验都是在真空室中进行的,水蒸气自然凝结在箔片上,提供了一个自然的质子源。该研究小组想看看质子束的结构是否会受到光的偏振的影响。

  在单独的实验中,研究人员用激光脉冲照射铝箔线,即来自双子激光器的椭圆偏振光和圆偏振光。发射出的不同能量的质子的模式明显不同:例如在所有的偏振态中,低能量的质子都集中到中心,但椭圆偏振光和圆偏振光比线性偏振光在传播上更为紧凑。由线偏振光产生的高能量的质子叫形成双波瓣图,而圆、椭圆偏振光则会形成环形密度分布。实验观察到的模式紧密匹配计算机模拟的结论,而存在的小的偏差完全可以理解为实验的缺陷,研究人员解释说明。

  黑洞

  该小组计划“针对这项研究进一步进行探索,来控制的'相对论等离子光圈',” McKenna解释说。“这其中包括偏振控制和控制驱动激光脉冲的强度变化。”虽然工作目前处于理论研究阶段,麦克纳认为它最终会有控制质子束在多个应用中的沉积程度,例如放射治疗,甚至在天体物理建模方面的应用,“我们正在探索其他科学领域潜在的应用,包括天体物理学相对论方面,旋转黑洞的吸积盘产生的等离子体射流实验模型,”他说。

  其他的研究人员也对此留下了深刻的印象。“这绝对是一个重要的贡献,” 法国巴黎高科技先进技术学校的Victor Malka表示说,“实验数据与仿真结果的质量表明我们对这一过程有了一个很好的了解。”Felix Mackenroth说:“研究人员所拥有的这一总体思路,都是非常充分的,同时也是很重要的。”但是,质子束仍然是发散的,而在这里产生的质子的能量太低,太多的能量被分散了,不足以被直接用于医疗应用中。

  这一研究发表在《自然通信》杂志上。

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