近日，科學家們在激光等離子加速器(LPA)技術方面取得了重大突破，成功開發出一種利用高重復率激光產生快速明亮質子束的新方法。這一研究成果已發表在《自然通訊》雜志上，標志著LPA技術向實際應用邁出了重要一步。

據悉，質子束作為高速帶電粒子流，在醫學、微芯片蝕刻等領域具有廣泛應用前景。然而，傳統粒子加速器體積龐大、成本高昂，限制了其在工業和臨床中的應用。LPA技術則以其緊湊、經濟高效的特點備受關注，但面臨光束發散和低效率等技術挑戰。

為解決這些問題，美國能源部SLAC國家加速器實驗室與英國科學與技術功能計算中心盧瑟福·阿普爾頓實驗室的研究人員合作，開展了一系列創新研究。他們引入了一種新型靶——自我再生水流靶，通過在每次激光脈沖后自動補充水流，解決了傳統固體靶需要更換的低效率問題。

令人驚訝的是，當激光擊中水流靶時，蒸發的水在目標周圍形成一團蒸汽云，與質子束相互作用產生磁場，這些磁場自然地聚焦了光束，產生了更明亮、更緊密對準的質子束。與使用固體靶的類似實驗相比，水片靶將質子束的發散度降低了一個數量級，并將光束效率提高了一百倍。質子束在數百次激光發射中表現出了非凡的穩定性。

斯坦福大學博士生格里芬·格倫表示：“這種效果完全出乎意料。實驗中的眾多變量使得這種預測不可能實現，但我們在觀察到這一現象后，利用實驗數據建模，更深入地了解了推動這一現象的潛在力量。”

SLAC國家加速器實驗室光子科學教授、高能密度科學部主任Siegfried Glenzer指出：“這些令人興奮的結果為相對論高功率激光器在醫學、加速器研究和慣性聚變領域的新應用鋪平了道路。我們不再完全依賴模擬，而是可以從實驗的角度推動物理，測試不同的激光強度、目標密度和環境壓力。”

值得注意的是，質子束每次發射都持續釋放出相當于40格雷的輻射劑量，這是質子治療中使用的標準輻射劑量，在此重復率下運行的LPA從未達到過。此外，這些結果是使用易于獲取的低能激光系統實現的，標志著LPA在醫學和工業實際應用方面的重大進步。

該研究的成功離不開英國科學與技術功能計算中心盧瑟福·阿普爾頓實驗室的中央激光設施提供的實驗條件，以及美國能源部科學辦公室和國家核安全局提供的資金支持。