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相应使用这种疗法的患者人数也就增加了
发布时间:2018-10-04 浏览:作者:admin

  这类小型激光器每天可点燃1亿次,并可以把它们发出的能量集中在只有1微米的小点上,从而产生出地球上强度最高的光。这样大的功率同时也形成了地球上最强的电场,其大小为每厘米1万亿伏左右。这种高强度激光与物质的相互作用可以产生只有在恒星内核或黑洞附近才能观察到的极端物理条件,包括极高的温度(10^10开氏度),极强的磁场(10^9高斯)和极大的粒子加速度(相当于地球上重力加速度的10^25倍)。
 
  这类激光器的造价仅为l00万美元而非人们所想的数亿美元,因此它们将有助于让“高级科学”回归普通的大学实验室,而研究资金有限的国家也可以涉足这一领域的研究。在世界各地,这种激光器已经用于物理学若干分支的研究工作,其中包括核物理学、天体物理学、高能粒子物理学以及广义相对论等。
 
  激光器是在1960年问世的。其后的5年间,台式激光器通过一系列的技术改进已达到10^9瓦的功率。再后的20年中没有出现多大进展,台式激光器的最大功率基本上在原地徘徊。当时提高激光器功率的唯一办法就是研制出更大的激光器。如果使激光器超出极限光强度的范围以外,将使激光器元件产生有害的非线性效应,影响光束质量,甚至损坏元件。Mourou(本文作者之一)所领导的研究小组推出了一项名为“啁啾调频脉冲放大”(Chirped Pulse Amplification)的技术以后,这一光学破坏问题才得以解决。台式激光器的输出功率因此而猛增了10^3到l0^5倍。
 
  对一个信号或波进行“啁啾调频”(Chirping)就是把它在时间上拉长。在通过啁啾调频放大脉冲时,第一步是用振荡器产生一个短脉冲并把它拉长,通常拉长10^3到10^5倍。这一过程使脉冲的强度下降了同样的倍数。然后就可以用标准的激光放大方法来放大这个脉冲。最后一步则是用一台结实的装置(如真空中的一对衍射光栅)将脉冲重新压缩回它原先的长度,这样就使它的功率大大提高,超出放大器功率极限的10^3到10^5倍。我们来看一个典型的例子。最初的种子脉冲其长度为l00飞秒,能量为0.2纳焦耳。我们把它拉长10^4倍,使其长度变为1纳秒(其功率则从大约2千瓦降低到0.2瓦)。然后把它放大10个数量级,这样它的能量就增加到2焦耳,功率增加到2千瓦。把这个脉冲的长度重新压缩到100飞秒,就使功率增加到20万亿瓦。如果没有这项技术,让最初那个功率为2千瓦的脉冲穿过台式放大器很可能导致放大器被毁,除非我们把放大器的横截面积扩大10^4倍,并让光束分散到整个横截面上。CPA技术使我们有可能利用传统的激光放大器而又不会导致非线性光学效应的出现。精确度对于放射治疗而言非常重要。放射治疗的目标是尽量把辐射集中在肿瘤上,同时尽量减少辐射对周围健康组织的损伤。对人体敏感部位(如脑或脊椎)中的肿瘤进行治疗时,能否把剂量可控的辐射投放在明确界定的极小区域上具有至关重要的意义。质子和碳离子之类的粒子特别适合承担这样的任务。与电子和光子不同,这些重粒子在成束以后的横向散射非常微弱,因此可以始终保持狭窄的形状。它们在其行进途中能量损失速率非常低,而且十分稳定,因此可以把其绝大部分的能量释放在其路径的终点。对于具有给定初始能量的重粒子,其能量的最终释放发生在组织内的某一确定区域中。因此,在需要把一定剂量的辐射释放到深层肿瘤上时,这类重粒子的精确度远胜过电子与光子。
 
  使用质子和碳离子束的临床试验目前正在几个国家展开。然而,广泛利用粒子治疗方法还存在许多障碍,其中之一就是传统粒子加速器的造价太高。例如,日本千叶县的医用重离子加速器(heavy ionm edical acce—lerator)造价高达3亿美元。它每年只能治疗200名左右的癌症患者,用这种疗法能够挽救的患者人数寥寥无几。目前激光驱动加速器所能达到的离子能量只占放疗所需能量的五分之一,而且辐射面积过大。但是,如果这两个问题能够得到解决,癌症的离子放射疗法成本就可以大大降低,而相应使用这种疗法的患者人数也就增加了。
 
  超高强度激光脉冲的功率相当于全世界所有发电机的功率总和。将来这一关系可能会转过来:这类激光器可能成为核聚变发电厂的基本组成部分,满足全世界用电的部分需求。几十年来,利用可控核聚变技术来发电一直是研究人员梦寐以求的目标,但令人失望的是这一目标始终遥不可及。近几年中开始受到青睐的一种方法是惯性约束聚变(inertial-confinement fusion),即用数十乃至数个强激光脉冲从四面八方同时照射燃料丸(如氢的重同位素氘和氚的混合物)。激光将燃料丸压缩到极高的密度川时将其加热到极高的温度,在这样高的密度和温度下,氘核和氚核将聚合起来而形成氦,并释放出大的能量。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的巨型Nova激光器就是为此目标的研究而配置的主要实验设备。
 
  台式超高强度激光束所产生的总能量还不够大,无法引起热核聚变。但是如果与Nova级的激光器配合使用,它们就有可能大大提高可控核聚变的经济与技术可行性。通过压缩燃料丸来达到核聚变的点火条件要求内爆过程极其对称。对称性只要有哪怕极微小的一点欠缺,也会使整个过程完全失败,无功而返。劳伦斯利弗莫尔实验室的研究人员现在提出了一种新方法——大型激光器仍然承担把燃料丸压缩到高密度这一繁重任务,但不必同时使其达到完全的点火温度。当燃料丸的密度接近其最大值时,一台小型的超高能量CPA激光器对一个超短离子脉冲加速,使之撞到内爆的燃料丸上。这一脉冲所起的作用类似于汽车发动机中火花塞的作用:脉冲在燃料丸上产生一个极其炽热的点,它引起的聚变波瞬间就传遍了整个燃料丸。这种方法将会减轻单靠内爆点燃聚变所提出的高难度技术要求,并且它也会大大提高聚变产生的能量与消耗的能量之比。
 
  英国牛津郡卢瑟福艾普尔顿实验室以及日本大坂大学实验室的研究人员不久前演示了快速点火技术的某些基本内容。但正如聚变研究史上提出的任何一种新方法一样,此技术也需要再进行大量的后续研究才能证明它是否具备用于商业发电的实际价值。无论这一特定的用途是否会成为传奇的素材,超高强度激光的发展前景必定引人入胜,绚丽多彩,远远超出阿基米德与Diocles最大胆的梦想。人类自有文明起,就梦想能获得强光。传说公元212年,阿基米德曾用一面巨大的反射镜将阳光聚焦,点燃了集结在叙拉古的罗马战船而使敌人葬身火海。虽然这个故事只是神话,但另一位希腊人Diocles的发明却是真的。公元前200年,他制作了一个抛物面反射镜,这可算得上人类历史上第一种理想的聚焦光学器件。两千年以后,研究人员把反射镜与量子力学结合起来,获得了一种无所不能的高强度光源——激光。
 
  一台名叫Nova(新星)的激光器于1985年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室投入运行,一直工作到l999年,现在它已成为大功率激光器的象征。这台激光器因其亮度堪与爆炸后的恒星亮度相媲美而得名,它是迄今为止功率最大的激光器之一。l0台并排放置的激光放大器占据了500多平方米大的空间;反射镜用重达180多公斤的玻璃块制成,它把光束引向目标来进行核聚变和其它各种实验。为避免机器过热,Nova每天只开动几次。很明显,为了达到极高的功率,它不得不聚集大量的能量。
 
  但是要记住功率是单位时间内传送出的能量,它不仅与能量的大小有关,也与发送能量的时间长短有关。因此,我们可以通过另一种方法来产生超高功率,那就是在极短的时间内释放出适当的能量。按现今超快激光器所达到的水平来衡量,Nova通常产生的脉冲是相当长的(3纳秒),而产生每个脉冲需要数千焦耳的能量。一种新型的激光器小得可以安装在桌面上,但它产生的功率却与Nova不相上下,其奥妙就在于它使用的脉冲仅为Nova的万分之一。例如,假定一台超高功率激光器的每个脉冲只有区区1焦耳的能量,但脉冲持续时间却短至l00飞秒(1飞秒为10^-15秒),那么它的功率便可达到10万亿瓦,比全世界所有发电站的总发电量还大。
 
  
 

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