激光驱动的高能离子的产生促进了下一代加速器的发展

一种创造高能离子的新方法可以加速它们在治疗癌症和探测物质基本性质方面的应用。

这项新技术由伦敦帝国学院的研究人员与日本和德国的合作者共同创造，将有助于提供离子束，从而以更有针对性的高剂量辐射来治疗癌症。

粒子加速器使用电场来加速一系列的粒子，如离子。它们已经被开发和使用了一个多世纪，用于进行基础研究和在医院治疗癌症。最近，涉及激光操纵等离子体中的电子的新方法已经被开发出来，它所产生的电场比标准机器中的电场大数百万倍。

这些技术使加速器变得更小，并能提供只有纳秒长的超短离子束。这对癌症放射治疗特别有用，可以进行有针对性的治疗，使更多的健康组织保持完整。

这项新研究发表在《光》杂志上。科学与应用》杂志上发表的新研究显示了如何从这些加速器中获得大量的高能离子。共同第一作者、来自帝国理工学院物理系的尼古拉斯-多佛博士说："我们在将这些激光驱动的离子源带出实验室并走向实际应用方面取得了重大飞跃。"

加速离子
该团队利用日本关西光子科学研究所和德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心的最先进的高功率激光器，开发了用激光加速离子的技术。

该系统的工作原理是向等离子体发射激光以加速它并产生电场。然而，通常等离子体对光是不透明的，这意味着激光在反弹之前只与它首先击中的等离子体表面发生作用。

然而，对于非常强烈的激光来说，目标电子被加速到接近光速，极大地改变了折射率，允许激光进入现在的透明目标。当这种情况发生时，激光与整个目标相互作用，并几乎完全被吸收。这产生了一个极端的感应电场，使目标离子向激光方向加速。

该团队展示了如何通过仔细选择与激光系统参数相匹配的靶材厚度来优化离子加速。这导致目标在激光脉冲的最强烈部分变得透明。

多佛博士说："通过使用两个独立的激光系统来复制这些结果，我们证明了我们的技术可以应用于现有的许多petawatt级飞秒激光设施中。这些激光器正在迅速发展，以提高其稳定性和重复率。"

"这是提供超短脉冲离子束的理想选择，放射生物学家可以用它来揭开高剂量放射生物学的奥秘。"

更多信息

Nicholas Dover et al, Enhanced ion acceleration from transparency-driven foils demonstrated at two ultraintense laser facilities, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01083-9. www.nature.com/articles/s41377-023-01083-9