激光场中扭曲电子束轰击水分子(e,2e)过程的三重微分截面研究及其在辐射生物学中的意义

本文系统研究了激光场辅助下平面波与扭曲电子束(TEB)轰击水分子(H2O)的单电离(e,2e)过程。作者采用一级玻恩近似框架，通过Volkov波函数描述快电子，Coulomb–Volkov波函数描述出射电子，结合线性组合原子轨道(LCAO)方法计算三重微分截面(TDCS)。研究发现激光偏振方向平行于动量转移(ε0∥Δ)时TDCS幅值最大，且扭曲电子束的轨道角动量(OAM)特性显著改变电离过程的角分布。该研究为辐射损伤机制和带电粒子治疗提供了理论依据。

　　

研究亮点

我们首次报道了激光场辅助下平面波与扭曲电子束(TEB)轰击水分子(e,2e)过程的系统性研究。通过比较不同激光偏振方向（平行于入射动量ε₀∥k_i、平行于动量转移ε₀∥Δ、垂直于动量转移ε₀⊥Δ）下四种外轨道（1b₁, 1b₂, 3a₁, 2a₁）的三重微分截面(TDCS)，发现ε₀∥Δ构型呈现最高响应强度。有趣的是，平面波电子在ε₀∥k_i和ε₀⊥Δ条件下TDCS呈现振荡特征，而p型轨道在ε₀∥Δ时仅显示反冲峰，s型轨道则出现双峰结构。扭曲电子束更在所有偏振方向均诱导出前向与后向双峰，凸显了轨道角动量(OAM)对电离动力学的调控作用。

结果与讨论

在共面非对称几何条件下，我们对比了水分子外层轨道的TDCS响应。当激光偏振平行于动量转移时，p型特征轨道（如1b₁）的TDCS呈现单一反冲峰，而s型特征轨道（如3a₁）则同时出现反冲峰和二元峰。扭曲电子束的独特螺旋波前（e^im_lφ）使其角分布对激光场偏振方向的敏感性降低，但显著增强了电离截面的空间各向异性。通过调节电子束的锥角θ_p和拓扑荷m_l，可实现对电离"热点"区域的精准操控。

结论

本研究证实激光场与扭曲电子束的协同作用能有效调控水分子电离的动力学过程。平面波电子的TDCS强烈依赖激光偏振方向，而携带轨道角动量的电子束则表现出更复杂的角分布特征。该发现不仅深化了对电子-分子相互作用的理解，还为辐射引起的生物分子损伤机制研究提供了新视角，在癌症放射治疗和空间辐射防护等领域具有潜在应用价值。