冷冻氢射流为激光加速质子提供了可再生目标 – 物理世界

科学家在 1990 世纪 10 年代产生了第一个拍瓦激光脉冲。 在接下来的几十年里，产生了拍瓦级功率的激光器——相当于一千万亿（XNUMX¹⁵) 瓦特，或地球在短时间内从太阳接收的能量的很大一部分。

拍瓦激光技术的一项潜在应用是用于粒子治疗的先进离子加速器。 正在进行的研究致力于该领域的无数主题，从增加粒子能量和产量到提高光束质量和控制。

可再生目标也受到科学家的关注。

激光驱动加速的工作原理是向由薄金属箔制成的目标发射极其强大的激光脉冲。 产生的热量会喷射材料中的电子，而重原子核则保留在原位，从而产生强电场，然后发射质子脉冲。

但传统的金属箔靶材给激光加速离子的应用带来了两个挑战。 首先，强烈的激光脉冲会损坏目标，因此需要频繁更换——这使得每秒产生多个离子脉冲变得困难。 其次，每次激光发射时，都会产生碎片并积聚在激光光学器件上，从而降低激光脉冲的质量。 使用箔靶时，离子会从含有不同碳氢化合物混合物的污染层中加速，从而使粒子加速难以控制。

低温氢喷射可能提供一种替代方案。 这些目标已被探索用于惯性约束聚变和其他研究，可用于产生质子束，而无需像金属箔那样频繁更换。 迄今为止，它们作为质子源的性能仅限于低（相对于治疗应用）粒子能量和产率，但当前的设计提供了连续的纯氢喷射，最近的概念验证实验表明，其性能可能会超过金属箔。

由德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心研究人员领导的国际科学家小组 (HZDR) 正在研究微米级低温氢喷射等离子体作为金属箔靶的替代品。 等离子灯丝会自我更新，因此拍瓦激光器的每次发射都有一个新的目标。

HZDR 博士后研究员 Martin Rehwald 表示：“从一开始，这种类型的靶点就很明显具有一些独特的优势，这些优势在其他地方很难找到。”

HZDR 科学家于 2017 年首次报告了来自低温氢射流的激光加速质子（XNUMX 年） Scientific Reports, “物理评论快报” 和 应用物理快报）。 他们最新的研究发表于 自然通讯，描述了其拍瓦激光低温目标系统的不同加速方案。

氢气在低温冷却的铜箱中液化，通过微米大小的孔径压入真空，在真空中进行蒸发冷却以形成固体目标。 当高强度激光束撞击这个低温目标时，就会产生激光加速质子，辐射压力将电子从氢中推出，并产生加速质子所需的极端电场。

HZDR 团队的研究表明，在主脉冲之前用较弱的光脉冲启动低温氢射流，与未启动的情况相比，质子能量增加了两倍（高达 80 MeV）。 在主要的高强度脉冲撞击射流之前，较弱的脉冲允许氢丝扩张，并增加加速距离。

模拟表明，当优化实验条件（包括目标密度分布）时，质子能量有望超过 100 MeV。

“我们从模拟中知道如何进一步增加质子能量。 在这里，目标的氢含量实际上使我们能够更精确地模拟与金属箔的相互作用，”Rehwald 说。 “你可以很容易想象[加速方案]会比仅仅拥有静止[电场]产生更高的粒子能量。 但为了达到这样的状态，我们需要非常精确地匹配激光束和密度分布。 所有这一切只有在对目标有很好的控制的情况下才能完成。”

石墨烯靶增强激光驱动离子加速

研究人员已经开发并实施了一种设备，可以帮助防止由于激光与目标相互作用而发射的快速电子和其他粒子对低温恒温器造成的损坏。 研究人员说，该设备使当前的研究成为可能。

未来，氦气和氩气等气体可用于产生其他离子束。

“我们正在准备一组新的实验，我们希望应用所获得的知识，例如，进一步理解和优化加速机制以及提高加速过程的稳定性，”雷瓦尔德说。 “我们认为激光驱动质子加速器的潜在应用将从我们的研究中受益。 例如，这可能会引起未来放射治疗新方法的兴趣。”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/jet-of-frozen-hydrogen-provides-a-renewable-target-for-laser-accelerated-protons/