瑞典查爾默斯理工大學和哥德堡大學研究人員提出了一種新方法，可以使激光粒子加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束的能量加倍。

這一突破可能帶來更小型、更便宜的設備，可用于許多應用，包括質(zhì)子治療。質(zhì)子治療包括向癌變腫瘤發(fā)射加速質(zhì)子束，通過輻射殺死它們。但所需的設備太大、太貴，只在全球少數(shù)幾個地方有?，F(xiàn)代高能激光器提供了降低設備尺寸和成本的潛力，因為它們可以在比傳統(tǒng)加速器短得多的距離內(nèi)加速粒子：從公里級到米級。

問題是，盡管世界各地的研究人員都在努力，但目前激光產(chǎn)生的質(zhì)子束能量還不夠。但是現(xiàn)在，瑞典研究人員提出了一種新的方法，可以使能量加倍——這是一個重大的飛躍。標準方法包括向薄金屬箔發(fā)射激光脈沖，通過相互作用產(chǎn)生一束高電荷質(zhì)子。新方法是先將激光分裂成兩個強度較低的脈沖，然后從兩個不同的角度同時發(fā)射到箔上。當兩個脈沖在箔片上碰撞時，產(chǎn)生的電磁場使箔片非常有效地加熱。該技術(shù)在使用與標準方法相同的初始激光能量同時產(chǎn)生了更高能量質(zhì)子。

這比敢于希望的效果還要好，其目標是達到目前質(zhì)子治療中實際使用的能量水平。將來可能會制造出更小的設備，只有目前規(guī)模的十分之一，這樣一家普通醫(yī)院就可以為病人提供質(zhì)子治療。質(zhì)子療法的獨特優(yōu)勢在于它能精確地瞄準癌細胞，殺死癌細胞而不傷害附近的健康細胞或器官。因此，這種方法對于治療深部腫瘤至關(guān)重要，例如位于大腦或脊柱的腫瘤。質(zhì)子束的能量越高，就越能深入人體，穿透癌細胞。盡管研究人員在將質(zhì)子束的能量加倍方面取得了巨大突破，但最終的目標仍然很遙遠。

查爾默斯大學物理系教授Tunde Fulop說：需要達到目前能量水平的10倍，才能真正深入到身體深處。我的抱負之一是幫助更多人獲得質(zhì)子治療，也許這是未來30年的事情，但每向前邁出一步都是重要的。加速質(zhì)子不僅對癌癥治療有興趣。它們可以用來調(diào)查和分析不同的材料，使放射性材料的危害更小。對航天工業(yè)也很重要，高能質(zhì)子構(gòu)成了宇宙輻射的很大一部分，它會破壞衛(wèi)星和其他空間設備。在實驗室中產(chǎn)生高能質(zhì)子使研究人員能夠研究這種損傷是如何發(fā)生，并開發(fā)出能更好地承受太空旅行壓力的新材料。

查爾默斯的研究人員朱利安·費里(Julian Ferri)和Tunde Fulop與哥德堡大學(University of Gothenburg)的研究同事伊萬杰洛斯·西米諾斯(Evangelos Siminos)一起，通過數(shù)值模擬驗證了該方法的可行性，下一步是與隆德大學合作進行實驗?，F(xiàn)在正在研究幾種進一步提高質(zhì)子束能量水平的方法。想象一下，在某一特定時刻，將所有照射到地球上的陽光聚焦到一粒沙子上，其強度仍然小于我們正在使用的激光束強度，現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是把更多激光能量輸送給質(zhì)子，這項新的科學成果發(fā)表在《通訊物理學》上。

博科園｜研究/來自：查爾姆斯理工大學

參考期刊《自然》《Communications Physics》

DOI: 10.1038/s42005-019-0140-x

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