科学家已经发现了一种革命性的方法，可使用大功率激光和简单的水流来产生质子束。
与需要庞大且昂贵的加速器的传统方法不同，该方法使用激光等离子体加速器在紧凑的空间内产生超快质子束。
质子束加速取得突破
科学家开发了一种新方法，可利用高重复频率激光等离子体加速器产生快速、明亮的质子束。相关研究发表于《自然-通讯》，克服了长期存在的挑战，推动该技术走向实际应用，而这一切都是在一条简单的水流帮助下实现的。
“这些激动人心的结果为相对论大功率激光器在医学、加速器研究和惯性聚变等领域的新应用铺平了道路，”光子科学教授、美国能源部SLAC国家加速器实验室高能量密度科学部门主任西格弗里德·格伦泽说道。
对新型质子束的需求
质子束是高速运动的带电粒子流，可以精确瞄准物质，因此在诸多领域具有极高的应用价值。与影响范围更广的X射线不同，质子束能够在特定位置释放能量，在癌症治疗、半导体制造和先进科学研究方面发挥着重要作用。然而，如何产生这些超高速、高能量的质子束，仍是一个挑战。
传统粒子加速器（如同步加速器）利用强大的电磁铁来加速、引导和聚焦粒子束。虽然这些系统对科学发现至关重要，但由于体积庞大且成本高昂，它们并不适合在工业和医疗保健领域广泛应用。一些先进的医学中心已经使用质子束治疗肿瘤，能够在选择性地破坏癌细胞的同时将对周围组织的损伤降至最低。然而，更紧凑且更具成本效益的质子束源将极大地拓宽该技术的适用范围，推动新的医疗方法和工业应用。
激光等离子体加速的潜力
这时，激光等离子体加速器（LPA）应运而生。LPA利用高强度激光轰击目标，产生带电粒子束，其速度与使用传统加速器产生的速度相当，但所需距离却短得多。科学家们正在探索将LPA作为一种紧凑且经济高效的方式来产生质子束，但几个技术难题阻碍了他们的进展。
其中一个挑战来自于高强度的激光，它在每次脉冲后都会摧毁目标，因此需要为每个射击准备新目标。另一个问题是光束发散——由激光等离子体加速器产生的质子束通常会像泛光灯一样散开，而不是保持狭窄的聚焦。无论是需要更换目标，还是光束发散，都大大降低了激光等离子体加速器的效率。
只需加水
在这项最新研究中，研究人员取得了意想不到的突破，虽然他们原本的目标只是解决一个问题，但最终同时解决了多个问题。
在英国科学与技术设施委员会 (STFC) 卢瑟福·阿普尔顿实验室 (Rutherford Appleton Laboratory) 的中央激光设施 (Central Laser Facility)，该团队测试了由 SLAC 的研究人员开发的一种新型靶标，以解决每次激光脉冲后更换靶标效率低下的问题。他们没有使用传统的固体靶标，而是引入了一张薄薄的水片——一种可在每次射击后自动补充的自再生水流。当激光击中水时，如预期般产生了质子束。
自动聚焦的惊喜
但随后，发生了令人惊讶的事情。蒸发的水在目标周围形成了一片蒸汽云，与质子束相互作用产生了磁场。这些磁场自然地将质子束聚焦，从而产生了更明亮、排列更紧密的质子束。
与以固体为靶标的类似实验相比，液片将质子束的散度降低了一个数量级，并将质子束的效率提高了100倍。质子束表现出卓越的稳定性，在数百次激光射击中，质子束始终以每秒5个脉冲的频率稳定运作。
“这一结果完全出乎意料，”斯坦福大学博士生格里芬·格伦（Griffin Glenn）说道。他参与了水片靶的设计以及数据分析工作，也是本文的第二作者。本实验中有大量变量——包括激光、水片和真空环境的详细特性——因此无法进行此类预测。
然而，在观察了这一现象之后，研究团队利用实验数据建立了模型，并更深入地了解了产生这种效应的内在驱动力。研究团队的发现表明，这种方法可以应用于能量更高的系统，从而产生更明亮、能量更高的质子束。
范式转变
“这项工作已经改变了整个范式，”格伦泽说。“最终，我们不再完全依赖模拟。现在，我们可以从实验的角度来推动物理学的发展，测试不同的激光强度、目标密度和环境压力。整个物理领域就在我们眼前。”
值得注意的是，质子束每次发射的能量始终相当于40戈瑞，这是质子治疗中使用的标准辐射剂量，而以往以这种重复频率运行的激光等离子体加速器从未达到过这一剂量。此外，此次实验结果是使用一种容易获得的低能量激光系统获得的，标志着激光等离子体加速器在医学和工业的实际应用方面取得了重大进展。
参考文献：《利用等离子体准直稳定加速高通量质子束的激光加速方法》，由M. J. V. Streeter、G. D. Glenn、S. DiIorio、F. Treffert、B. Loughran、H. Ahmed、S. Astbury、M. Borghesi、N. Bourgeois、C. B. Curry、S. J. D. Dann、N. P. Dover、T. Dzelzainis、O. C. Ettlinger、M. Gauthier、L. Giuffrida、S. H. Glenzer、R. J. Gray、J. S. Green、G. S. Hicks、C. Hyland、V. Istokskaia、M. King、D. Margarone、O. McCusker、P. McKenna、Z. Najmudin、C. Parisuaña、P. Parsons、C. Spindloe、D. R. Symes、A. G. R. Thomas、N. Xu和C. A. J. Palmer合著，发表于2025年1月24日《自然-通讯》期刊。DOI：10.1038/s41467-025-56248-4
本研究在英国科学和技术设施委员会卢瑟福·阿普尔顿实验室的中央激光设施进行，部分资金由美国能源部科学办公室、美国能源部国家核安全管理局和美国国家科学基金会提供。
