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，可以使雷射粒子加速器產生的質子束的能量加倍。這一突破可能帶來更小型、更便宜的設備，可用於許多應用，包括質子治療。質子治療包括向癌變腫瘤發射加速質子束，通過異塵餘生殺死它們。但所需的設備太大、太貴，只在全球少數幾個地方有。現代高能雷射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加速器短得多的距離內加速粒子：從公里級到米級。
問題是，儘管世界各地的研究人員都在努力，但目前雷射產生的質子束能量還不夠。但是現在，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射雷射脈衝，通過相互作用產生一束高電荷質子。新方法是先將雷射分裂成兩個強度較低的脈衝，然後從兩個不同的角度同時發射到箔上。當兩個脈衝在箔片上碰撞時，產生的電磁場使箔片非常有效地加熱。該技術在使用與標準方法相同的初始雷射能量同時產生了更高能量質子。
- （博科園-圖示）標準的雷射產生質子束是通過向薄金屬箔發射雷射脈衝產生。新方法是先將雷射分裂成兩個強度較低的脈衝，然後從兩個不同的角度同時發射到箔上。圖片：Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology
這比敢於希望的效果還要好，其目標是達到目前質子治療中實際使用的能量水準。將來可能會製造出更小的設備，只有目前規模的十分之一，這樣一家普通醫院就可以為病人提供質子治療。質子療法的獨特優勢在於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，這種方法對於治療深部腫瘤至關重要，例如位於大腦或脊柱的腫瘤。質子束的能量越高，就越能深入人體，穿透癌細胞。儘管研究人員在將質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準的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。加速質子不僅對癌症治療有興趣。它們可以用來調查和分析不同的材料，使放射性材料的危害更小。對航天工業也很重要，高能質子構成了宇宙異塵餘生的很大一部分，它會破壞衛星和其他空間設備。在實驗室中產生高能質子使研究人員能夠研究這種損傷是如何發生，並開發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·費裡(Julian Ferri)和Tunde Fulop與哥德堡大學(University of Gothenburg)的研究同事伊萬傑洛斯·西米諾斯(Evangelos Siminos)一起，通過數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。現在正在研究幾種進一步提高質子束能量水準的方法。想像一下，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，其強度仍然小於我們正在使用的雷射束強度，現在的挑戰是把更多雷射能量輸送給質子，這項新的科學成果發表在《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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