使用高功率激光器产生伽马射线

本文重点介绍了伽马射线的概念、其来源和发射器。然后重点介绍了伽马射线在宇宙中的存在以及它们是如何产生的。最后，它谈到了美国和捷克的设施之间的联合研究，以及它们将如何有利于伽马射线的生成过程。

什么是伽马射线？
简单来说，伽马射线可以定义为放射性衰变后发出的电磁能量包。在电磁波谱中，伽马射线被认为是所有射线中最具放射性的射线。伽马射线经常会与X射线混淆，但关键的区别是，原子中的受激原子核会产生伽马射线，而不是受激电子。

来源和发射器
尽管伽马射线很危险，但由于铀、钍和锕的辐射，伽马射线通常存在于许多放射性同位素中。它们也是由钾-40和碳-14发射的，这些放射性同位素通常存在于岩石、土壤和我们的食物中。

自从1951年美国出现第一个核反应堆以来，人工伽马辐射也变得突出。核反应堆裂变和高能物理实验会释放这种类型的辐射。

就伽马辐射发射器而言，放射性核素是常用的辐射源。虽然伽马辐射如果处理不当会有潜在的危害，但其发射体及其材料的穿透性在各行业中都得到了利用。

例如，钴-60被广泛用于医院的医疗设备消毒，某些食品的巴氏杀菌过程，以及工业放射性成像。另一方面，铯-137被用于测量土壤湿度和调查地下地层（即煤、天然气和其他不可再生的能源资源）。其他来源，如镅-241和锝-99m被用作烟雾探测器和血流研究。

由于伽马辐射具有高穿透性，它是一种潜在的工作场所危险。高度暴露于伽马辐射会对细胞造成直接损害，而持续暴露会导致癌症。

宇宙伽马射线
伽马射线起源于宇宙，科学家已将产生这些宇宙射线的几个过程分类。在太空中，只要一个高能粒子与另一个粒子碰撞，加速带电粒子和一个元素通过放射性衰变，就可以产生伽马射线。

在粒子与粒子碰撞的情况下，宇宙射线与质子的碰撞产生π介子（pion）。正是这些质子衰变成一对伽马射线。这些伽马射线以 "V "形运动向前推进。

在放射性衰变过程中，原子的原子核发生了改变，从而使原子核进入激发状态。为了回到稳定状态，原子核会发射出伽马射线。这种现象通常在超新星中观察到。关于带电粒子的加速，当磁场对绕过它的带电粒子施加一个力时，就会发生辐射。

产生伽马射线的高功率激光器
由于其在日常使用以及医学和工业方面的潜在好处，许多研究人员一直致力于成本效益和高效的伽马射线生成。该领域的最新研究是由美国国家科学基金会（NSF）和捷克科学基金会（GACR）进行的。他们计划利用ELI光束线的多皮塔瓦激光设施来有效地产生密集的伽马射线束。这种petawatt激光器可以产生高达100万亿瓦特的能量。

研究的目的是模仿在脉冲星中观察到的物质创造现象，其中脉冲星的磁层通过光子的碰撞产生极端能量（通常是伽马射线）。 在地球上复制同样的现象将涉及使用高功率激光器来创造密集的光子云，其能量比可见光高百万倍。

该项目将利用ELI Beamlines（捷克共和国）和ELI Apls（匈牙利）的极端光基础设施（ELI ERIC）设施。将利用 "相对透明 "的概念，其中等离子体电子将被加速到接近光速，以产生极强的磁场，最终向激光的方向发射伽马射线。

这将是第一次利用高功率激光器实际产生伽马射线。高功率激光器还可以每秒产生多个镜头，而不是每秒一个镜头，这使得在统计学上阐明伽马射线产生过程的方式更好。

除了伽马射线生成过程，该项目旨在培训即将到来的科学家，以创建机制来优化这些高功率激光器的使用，使其在多项研究中有效。

伽马射线生成的未来
随着联合项目的全面展开，科学家们对伽马射线生成的突破持乐观态度。正如国家科学基金会的Sethuraman Panchanathan博士所说，这项合作有可能扩展到人工智能、纳米技术和等离子体科学研究。

参考资料

Optics.org. (2022) US and Czech scientists researching gamma-ray production by high power laser. [Online] Available at: https://optics.org/news/13/7/6

作者：Aditya Humnabadkar