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(duì)周圍組織造成損傷的條件下用來(lái)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(chǎng)。
復(fù)雜的過(guò)程
這是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，位于德國(guó)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(shuō)：“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(guó)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)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(duì)于脈沖是透明的，研究人員能夠證明脈沖通過(guò)等離子盤即通過(guò)一個(gè)經(jīng)典的孔徑后會(huì)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(lái)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(huì)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(lái)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(huì)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(shuō)明。
黑洞
該小組計(jì)劃“針對(duì)這項(xiàng)研究進(jìn)一步進(jìn)行探索，來(lái)控制的'相對(duì)論等離子光圈'，” McKenna解釋說(shuō)。“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(huì)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(duì)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(shuō)。
其他的研究人員也對(duì)此留下了深刻的印象。“這絕對(duì)是一個(gè)重要的貢獻(xiàn)，” 法國(guó)巴黎高科技先進(jìn)技術(shù)學(xué)校的Victor Malka表示說(shuō)，“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的質(zhì)量表明我們對(duì)這一過(guò)程有了一個(gè)很好的了解。”Felix Mackenroth說(shuō)：“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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