近日，科学家们在激光等离子加速器(LPA)技术方面取得了重大突破，成功开发出一种利用高重复率激光产生快速明亮质子束的新方法。这一研究成果已发表在《自然通讯》杂志上，标志着LPA技术向实际应用迈出了重要一步。
据悉，质子束作为高速带电粒子流，在医学、微芯片蚀刻等领域具有广泛应用前景。然而，传统粒子加速器体积庞大、成本高昂，限制了其在工业和临床中的应用。LPA技术则以其紧凑、经济高效的特点备受关注，但面临光束发散和低效率等技术挑战。
为解决这些问题，美国能源部SLAC国家加速器实验室与英国科学与技术功能计算中心卢瑟福·阿普尔顿实验室的研究人员合作，开展了一系列创新研究。他们引入了一种新型靶——自我再生水流靶，通过在每次激光脉冲后自动补充水流，解决了传统固体靶需要更换的低效率问题。
令人惊讶的是，当激光击中水流靶时，蒸发的水在目标周围形成一团蒸汽云，与质子束相互作用产生磁场，这些磁场自然地聚焦了光束，产生了更明亮、更紧密对准的质子束。与使用固体靶的类似实验相比，水片靶将质子束的发散度降低了一个数量级，并将光束效率提高了一百倍。质子束在数百次激光发射中表现出了非凡的稳定性。
斯坦福大学博士生格里芬·格伦表示：“这种效果完全出乎意料。实验中的众多变量使得这种预测不可能实现，但我们在观察到这一现象后，利用实验数据建模，更深入地了解了推动这一现象的潜在力量。”
SLAC国家加速器实验室光子科学教授、高能密度科学部主任Siegfried Glenzer指出：“这些令人兴奋的结果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。我们不再完全依赖模拟，而是可以从实验的角度推动物理，测试不同的激光强度、目标密度和环境压力。”
值得注意的是，质子束每次发射都持续释放出相当于40格雷的辐射剂量，这是质子治疗中使用的标准辐射剂量，在此重复率下运行的LPA从未达到过。此外，这些结果是使用易于获取的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的重大进步。
该研究的成功离不开英国科学与技术功能计算中心卢瑟福·阿普尔顿实验室的中央激光设施提供的实验条件，以及美国能源部科学办公室和国家核安全局提供的资金支持。
