瑞典查尔默斯理工大学和哥德堡大学研究人员提出了一种新方法，可以使激光粒子加速器产生的质子束的能量加倍。这一突破可能带来更小型、更便宜的设备，可用于许多应用，包括质子治疗。质子治疗包括向癌变肿瘤发射加速质子束，通过辐射杀死它们。但所需的设备太大、太贵，只在全球少数几个地方有。现代高能激光器提供了降低设备尺寸和成本的潜力，因为它们可以在比传统加速器短得多的距离内加速粒子：从公里级到米级。
问题是，尽管世界各地的研究人员都在努力，但目前激光产生的质子束能量还不够。但是现在，瑞典研究人员提出了一种新的方法，可以使能量加倍——这是一个重大的飞跃。标准方法包括向薄金属箔发射激光脉冲，通过相互作用产生一束高电荷质子。新方法是先将激光分裂成两个强度较低的脉冲，然后从两个不同的角度同时发射到箔上。当两个脉冲在箔片上碰撞时，产生的电磁场使箔片非常有效地加热。该技术在使用与标准方法相同的初始激光能量同时产生了更高能量质子。
- （博科园-图示）标准的激光产生质子束是通过向薄金属箔发射激光脉冲产生。新方法是先将激光分裂成两个强度较低的脉冲，然后从两个不同的角度同时发射到箔上。图片：Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology
这比敢于希望的效果还要好，其目标是达到目前质子治疗中实际使用的能量水平。将来可能会制造出更小的设备，只有目前规模的十分之一，这样一家普通医院就可以为病人提供质子治疗。质子疗法的独特优势在于它能精确地瞄准癌细胞，杀死癌细胞而不伤害附近的健康细胞或器官。因此，这种方法对于治疗深部肿瘤至关重要，例如位于大脑或脊柱的肿瘤。质子束的能量越高，就越能深入人体，穿透癌细胞。尽管研究人员在将质子束的能量加倍方面取得了巨大突破，但最终的目标仍然很遥远。
查尔默斯大学物理系教授Tunde Fulop说：需要达到目前能量水平的10倍，才能真正深入到身体深处。我的抱负之一是帮助更多人获得质子治疗，也许这是未来30年的事情，但每向前迈出一步都是重要的。加速质子不仅对癌症治疗有兴趣。它们可以用来调查和分析不同的材料，使放射性材料的危害更小。对航天工业也很重要，高能质子构成了宇宙辐射的很大一部分，它会破坏卫星和其他空间设备。在实验室中产生高能质子使研究人员能够研究这种损伤是如何发生，并开发出能更好地承受太空旅行压力的新材料。
查尔默斯的研究人员朱利安·费里(Julian Ferri)和Tunde Fulop与哥德堡大学(University of Gothenburg)的研究同事伊万杰洛斯·西米诺斯(Evangelos Siminos)一起，通过数值模拟验证了该方法的可行性，下一步是与隆德大学合作进行实验。现在正在研究几种进一步提高质子束能量水平的方法。想象一下，在某一特定时刻，将所有照射到地球上的阳光聚焦到一粒沙子上，其强度仍然小于我们正在使用的激光束强度，现在的挑战是把更多激光能量输送给质子，这项新的科学成果发表在《通讯物理学》上。
博科园｜研究/来自：查尔姆斯理工大学
参考期刊《自然》《Communications Physics》
DOI: 10.1038/s42005-019-0140-x
