德國HZDR研究所測試了一項新技術(shù)：用冷凍氫充當(dāng)激光脈沖的“靶區(qū)”，可改進(jìn)高功率激光質(zhì)子加速。研究結(jié)果發(fā)表在Nature Communications上，該方法將來可以作為腫瘤質(zhì)子治療概念的相關(guān)基礎(chǔ)。

高強(qiáng)度激光脈沖撞擊氫氣氣流時的陰影圖(藍(lán)色)，提前發(fā)送的較弱光脈沖故意將氫氣噴射改變?yōu)槿N不同的初始狀態(tài)。圖片來源：HZDR

傳統(tǒng)的質(zhì)子加速器，例如歐洲日內(nèi)瓦CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)，通過強(qiáng)射頻波進(jìn)行粒子加速。

在激光加速中，超亮光脈沖可以加速粒子，用極短而強(qiáng)大的激光脈沖發(fā)射到薄薄的金屬箔上。光將材料加熱到噴射出大量電子，而重原子核則保留在原處。由于電子帶負(fù)電，原子核帶正電，因此它們之間形成強(qiáng)電場。強(qiáng)電場可以在僅幾微米的距離內(nèi)以巨大的力發(fā)射質(zhì)子脈沖，從而達(dá)到傳統(tǒng)加速器技術(shù)需要更長的距離發(fā)出的能量。另一個優(yōu)點，通過激光加速可以將大量粒子打包到一個質(zhì)子束流中，在腫瘤的放射治療中會有很好的效果，可以將更多的放射能量集中于腫瘤病灶。

然而，向金屬箔發(fā)射激光脈沖的方法存在缺陷。首先，每秒產(chǎn)生多個質(zhì)子脈沖是很困難的，箔片單次激光照射已經(jīng)被破壞，因此必須一次又一次地更換;其次，加速過程相當(dāng)復(fù)雜，控制起來也比較困難，原因是要加速的質(zhì)子來自碳?xì)浠衔铮@些碳?xì)浠衔镒鳛槲廴疚飳尤菀追e聚在金屬箔上，從而影響實驗控制。

實驗裝置示意圖：通過從HZDR高功率激光器DRACO向持續(xù)補(bǔ)充的冷凍氫射流(藍(lán)色)發(fā)射強(qiáng)脈沖(紅色)，研究人員能夠在極短的距離(橙色)內(nèi)大幅加速質(zhì)子，用同步光學(xué)激光脈沖(綠色)記錄了這一過程。圖片來源：SLAC

強(qiáng)冷卻氫流代替箔

研究團(tuán)隊提出替代方案：使用精細(xì)的強(qiáng)冷卻氫流代替金屬箔，充當(dāng)高強(qiáng)度激光脈沖的靶區(qū)。

具體來說，專家們將銅塊中的氫氣冷卻至液態(tài)，然后液態(tài)氫通過治療頭流入真空室，進(jìn)一步冷卻并凝固成微米級細(xì)絲，作為激光脈沖的靶區(qū)。由于氫絲會自我更新，因此每次發(fā)射激光時，都會有一個新的、完整的靶區(qū)。

激光脈沖不只是加熱材料，而是利用輻射壓力將電子從氫中推出，并產(chǎn)生加速質(zhì)子所需的極端電場。該團(tuán)隊表明在主激光脈沖前面發(fā)送一個短而弱的光脈沖可以優(yōu)化該過程。

預(yù)熱冷凍的氫絲使其膨脹，其橫截面從5 μm增大到其尺寸的幾倍，增加加速距離，進(jìn)行對應(yīng)優(yōu)化。

質(zhì)子治療應(yīng)用

研究團(tuán)隊表明，該方法能夠?qū)①|(zhì)子的能量提高到80 MeV，接近激光質(zhì)子加速記錄。但與之前的設(shè)施不同，每秒可產(chǎn)生多個質(zhì)子束流。

此外，使用高性能計算來模擬氫靶區(qū)標(biāo)的加速過程相對容易，能夠更好地理解和優(yōu)化激光與物質(zhì)之間的相互作用。現(xiàn)在，專家們希望使用人工智能算法來提高激光脈沖和冷凍氫流之間的“命中率” 。

這項技術(shù)對于未來的質(zhì)子放射治療而言非常重要，激光加速可以增加質(zhì)子放射劑量，從而縮短照射時間，可以更好地保護(hù)腫瘤周圍的健康組織。