研究了激光驱动离子加速,开发了一种紧凑、高效的等离子体加速器,适用于癌症治疗、核聚变和高能物理。大阪大学的研究人员与国立量子科学技术研究所(QST)、神户大学和台湾国立中央大学的研究人员合作,报道了在日本关西光子科学研究所用超强J-KAREN激光照射世界上最薄最强的石墨烯靶的直接高能离子加速。他们的研究结果发表在《施普林格·自然》杂志上,科学报告。
在激光离子加速理论中,已知较高的离子能量需要较薄的靶材。然而,由于强激光的噪声成分在激光脉冲主峰之前破坏了目标,因此在极薄靶区直接加速离子一直是困难的。等离子体反射镜是实现强激光离子加速的必要手段,它可以去除离子中的噪声成分。
因此,研究人员开发了大面积悬浮石墨烯(LSG)作为激光离子加速的目标。石墨烯被认为是世界上最薄、最强的二维材料,适用于激光驱动离子源。
“原子薄的石墨烯是透明的,具有高导电性和导热性,重量轻,同时也是最坚固的材料,”研究作者魏延云解释说。“到目前为止,石墨烯已经有了各种各样的应用,包括交通、医药、电子和能源。我们展示了石墨烯在激光离子加速领域的另一个颠覆性应用,石墨烯的独特特性在其中发挥了不可或缺的作用。”
在没有等离子体反射镜的情况下,直接照射LSG靶材,从亚相对论到相对论激光强度,从低对比度到高对比度,产生MeV质子和碳,明显显示出石墨烯的耐久性。
这项研究的主要作者Yasuhiro Kuramitsu解释说:“这项研究的结果适用于开发紧凑高效的激光驱动离子加速器,用于癌症治疗、激光核聚变、高能物理和实验室天体物理学。”“在没有等离子体反射镜的情况下,高能离子的直接加速明显显示了LSG的鲁棒性。我们将使用原子薄的LSG作为目标安装件来加速其他不能独立存在的材料。我们还展示了非相对论强度下的高能离子加速。这将使我们能够用相对较小的激光设备来研究激光离子加速。此外,即使在极薄的靶区没有等离子体反射镜,也可以实现高能离子加速。这开辟了激光驱动离子加速的新领域。”
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