极微尺度和极快速度:利用激光脉冲加热等离子体

当一个来自极其强大的激光系统的光脉冲发射到材料样品上时，光电场在将电子从原子核中分离出来的瞬间就会产生等离子体。在这个过程中，电子与激光耦合，速度可达光速。当光脉冲离开物质样品时，它会将原子核(离子)带出。为了对这种复杂的加速过程进行实验研究，德国亥姆霍兹联合会(HZDR)的研究人员开发了一种新型的、基于激光的粒子加速器诊断技术。近日，他们的研究结果发表在了《物理评论X》杂志上。

HZDR的物理学家Thomas Kluge博士说：“我们的目标是研制一种超紧凑的离子治疗加速器，即用带电粒子进行肿瘤辐照。” 除了诊所，这种新的加速器技术还可以造福大学和研究机构。然而，在这项技术投入使用之前，还需要进行大量的研究和开发工作。德累斯顿亥姆霍兹中心的DRACO激光器目前能达到的能量约为50兆电子伏。但是，用质子辐照肿瘤则需要200兆到250兆电子伏。幸运的是，由于DRACO激光器的超短脉冲范围仅有几飞秒，所以它的功率几可达到1拍瓦——这相当于全世界平均发电量的100倍。

“我们需要更好地理解加速电子和离子的具体过程。” Kluge强调。HZDR的研究人员与来自德累斯顿、汉堡、耶拿、齐根和美国的研究人员合作，首次在美国斯坦福大学的SLAC国家加速器实验室中，几乎实时地观测到了这一转瞬之间的过程。为了实现这一壮举，科学家们需要同时使用两种特殊激光器——SLAC的40太瓦高强度激光器：脉冲击中样品时，可点燃等离子体；X射线激光器：用于精确记录各个过程。“利用小角度散射法，我们已经实现了飞秒范围内的测量，测量精度可从几纳米到几百纳米。”HZDR博士生Melanie Rödel说道。“基于激光加速器的新诊断技术很好地证实了我们对其时空分辨率的预期。这为实时直接观察等离子体物理过程铺平了道路。” HZDR辐射物理研究所Josefine Metzkes-Ng博士补充道。

自2019年起，HZDR正在筹建的赫尔姆霍兹国际极端场光束线（HIBEF）将提供下一代实验装置，这是一种功率更大的短脉冲激光器。对于参与实验的物理学家来说，计算出的一个结果使他们大开眼界。Thomas Kluge 解释说：“我们实验目标的表面有一种微小的手指结构。激光束散射在这个结构上时，会导致来自角落的大量电子被加速并互相交叉。”计算结果所预测的这些现象可以在实验中验证，这一事实带来了希望——例如，能够进一步观察到等离子体自发模式的形成。

令研究人员更感兴趣的是识别干扰电子和离子加速的不稳定性——这为不稳定的避免提供了参考。“然而，从我们的模拟中我们发现不稳定性甚至可以提高加速过程的效率，”物理学家解释说。“我们已经识别出罗利-泰勒不稳定性等。这使得激光将更多的能量转移到它产生的等离子体中。这样的‘正’不稳定性可能成为优化电子介导的离子加速过程的关键。”

接下来， HZDR研究人员将努力接近他们的目标：开发一种用于癌症质子治疗的超紧凑激光加速器。

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编译：Coke     

审稿：德克斯特    

责编：张梦   

期刊来源：《物理评论X》

期刊编号：2160-3308

原文链接：

https://scienceblog.com/503345/extremely-small-and-fast-laser-ignites-hot-plasma/

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