質(zhì)子和其他的正離子的光束有廣泛的應(yīng)用，包括粒子物理、材料加工和醫(yī)學(xué)等方面。例如，質(zhì)子束療法可在最小限度對周圍組織造成損傷的條件下用來摧毀一些癌性腫瘤。然而，實(shí)際使用的質(zhì)子和離子束受到需要較大和昂貴的粒子加速器以產(chǎn)生高品質(zhì)的光束源這一條件的約束阻礙。
一個(gè)可以探索的方向是激光等離子體加速，在其中是加載一個(gè)高功率的激光脈沖到目標(biāo)上。這就可以創(chuàng)建一個(gè)其中電子和離子分離的等離子體。這就創(chuàng)建了一個(gè)包含加速的質(zhì)子、離子和電子到很高能量的大的電場。
復(fù)雜的過程
這是一個(gè)很復(fù)雜的過程，位于德國德累斯頓馬克思·普朗克研究所的復(fù)雜系統(tǒng)的Felix Mackenroth解釋說：“這個(gè)光束的質(zhì)量非常非常低。我們基本上是發(fā)射一束激光到一個(gè)鋁箔上，并希望有好的事發(fā)生。”
在以前的研究中，Paul McKenna和其在斯凱萊德大學(xué)的同事，以及在貝爾法斯特皇后大學(xué)和牛津郡的英國科學(xué)技術(shù)委員會盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室的研究人員一起，用盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室的雙子激光器從超薄鋁箔進(jìn)行電子激光的加速。一個(gè)強(qiáng)大的激光脈沖從雙子激光器中發(fā)出擊中鋁箔，使其加熱，成為一個(gè)等離子體。這盤等離子體在鋁箔層相對于脈沖是透明的，研究人員能夠證明脈沖通過等離子盤即通過一個(gè)經(jīng)典的孔徑后會發(fā)生衍射。此外，他們發(fā)現(xiàn)，從鋁箔發(fā)射的電子的圖案是取決于入射激光光的偏振態(tài)的。
水蒸氣
在這項(xiàng)最新的研究中，研究小組采用了一種類似的方法來加速質(zhì)子的加速。盡管他們的實(shí)驗(yàn)都是在真空室中進(jìn)行的，水蒸氣自然凝結(jié)在箔片上，提供了一個(gè)自然的質(zhì)子源。該研究小組想看看質(zhì)子束的結(jié)構(gòu)是否會受到光的偏振的影響。
在單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)中，研究人員用激光脈沖照射鋁箔線，即來自雙子激光器的橢圓偏振光和圓偏振光。發(fā)射出的不同能量的質(zhì)子的模式明顯不同：例如在所有的偏振態(tài)中，低能量的質(zhì)子都集中到中心，但橢圓偏振光和圓偏振光比線性偏振光在傳播上更為緊湊。由線偏振光產(chǎn)生的高能量的質(zhì)子叫形成雙波瓣圖，而圓、橢圓偏振光則會形成環(huán)形密度分布。實(shí)驗(yàn)觀察到的模式緊密匹配計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)論，而存在的小的偏差完全可以理解為實(shí)驗(yàn)的缺陷，研究人員解釋說明。
黑洞
該小組計(jì)劃“針對這項(xiàng)研究進(jìn)一步進(jìn)行探索，來控制的'相對論等離子光圈'，” McKenna解釋說。“這其中包括偏振控制和控制驅(qū)動(dòng)激光脈沖的強(qiáng)度變化。”雖然工作目前處于理論研究階段，麥克納認(rèn)為它最終會有控制質(zhì)子束在多個(gè)應(yīng)用中的沉積程度，例如放射治療，甚至在天體物理建模方面的應(yīng)用，“我們正在探索其他科學(xué)領(lǐng)域潛在的應(yīng)用，包括天體物理學(xué)相對論方面，旋轉(zhuǎn)黑洞的吸積盤產(chǎn)生的等離子體射流實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?rdquo;他說。
其他的研究人員也對此留下了深刻的印象。“這絕對是一個(gè)重要的貢獻(xiàn)，” 法國巴黎高科技先進(jìn)技術(shù)學(xué)校的Victor Malka表示說，“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的質(zhì)量表明我們對這一過程有了一個(gè)很好的了解。”Felix Mackenroth說：“研究人員所擁有的這一總體思路，都是非常充分的，同時(shí)也是很重要的。”但是，質(zhì)子束仍然是發(fā)散的，而在這里產(chǎn)生的質(zhì)子的能量太低，太多的能量被分散了，不足以被直接用于醫(yī)療應(yīng)用中。
這一研究發(fā)表在《自然通信》雜志上。
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