新方法利用高功率激光提高质子加速

用强激光脉冲使质子加速——这个仍然年轻的概念与传统加速器相比具有许多优势。例如，建造更紧凑的设施似乎是可能的。然而，迄今为止，向超薄金属箔发射激光脉冲的原型显示出弱点——尤其是在它们加速质子的频率方面。在亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫中心 (HZDR)，一个国际工作组测试了一项新技术：在这种方法中，冷冻氢充当激光脉冲的“目标”。正如该团队在《自然通讯》杂志(DOI：10.1038/s41467-023-39739-0)中所描述的那样，该方法将来可以作为先进肿瘤治疗概念的基础。

传统的质子加速器，例如日内瓦欧洲核子研究组织的大型强子对撞机，是基于通过强射频波进行粒子加速的。另一方面，在激光加速中，超亮光脉冲可以加速粒子：极短而强大的激光脉冲被发射到薄薄的金属箔上。光将材料加热到大量电子被喷射出的程度，而重原子核则保留在原处。由于电子带负电，原子核带正电，因此它们之间形成强电场。

然后，该场可以在仅几微米的距离内以巨大的力发射质子脉冲，从而使它们达到传统加速器技术需要更长的系统所需的能量。另一个优点：“通过激光加速，我们可以将大量粒子打包到一个质子束中，”HZDR 物理学家 Karl Zeil 博士解释道。“这对于肿瘤的放射治疗可能很有趣。”

然而，以前向金属箔发射激光脉冲的方法存在缺陷。首先，每秒产生多个质子脉冲是很困难的——箔片已经被单次激光照射破坏，因此必须一次又一次地更换。其次，加速过程相当复杂，控制起来也比较困难。原因是：要加速的质子来自碳氢化合物，这些碳氢化合物作为污染物层积聚在金属箔上，这对于完美控制实验来说并不理想。

因此，Karl Zeil周围的

德裔美国研究团队提出了一种替代方案：“我们使用精细的强冷却氢射流代替金属箔，”研究人员描述道。“这架射流充当我们高强度激光脉冲的目标。” 具体来说，专家们将铜块中的氢气冷却至液态。然后液态氢通过喷嘴流入真空室。因此，它进一步冷却并凝固成微米级细丝：激光脉冲的目标。由于氢丝会自我更新，因此每次发射激光时，它的视线中都会有一个新的、完整的目标。

另一个好处是，该装置可以实现更有利的加速机制：激光脉冲不只是加热材料，而是利用辐射压力将电子从氢中推出，并产生加速质子所需的极端电场。该团队能够通过在主激光脉冲前面发送一个短而弱的光脉冲来优化该过程。这会预热冷冻的氢丝，使其膨胀，其横截面从五微米增大到其尺寸的几倍。这使得增加加速距离和优化过程成为可能。

肿瘤治疗的前景

结果：“我们能够将质子的能量提高到 80 MeV，”Karl Zeil 报道。“这接近之前的激光质子加速记录。但与之前的设施不同，我们的技术有潜力每秒产生多个质子束。” 此外，使用高性能计算来模拟氢目标的加速过程相对容易——这项任务也涉及 HZDR 的高级系统理解中心 (CASUS)。“这使我们能够更好地理解和优化激光与物质之间的相互作用，”泽尔说。现在，专家们希望使用人工智能算法来提高激光脉冲和冷冻氢射流之间的“命中率”。

这项技术对于未来的放射治疗可能会很有趣。今天，一些肿瘤已经成功地用质子照射。激光加速可以增加剂量，从而缩短照射时间。而且，正如 HZDR 研究表明的那样，这可以更好地保护肿瘤周围的健康组织。

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