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一种产生短脉冲离子束的新型激光技术

2021-12-08 17:33     来源:质子中国     离子束 X射线放射诊疗
日前,英国贝尔法斯特女王大学(QUB)的研究人员开发了一种新型工具,该工具结合使用高功率激光和选择性离子加速来研究未来潜在放射治疗方案的生物学特性。研究结果以《强辐射压力下的选择性离子加速》为题发表于杂志Physical Review Letters。


 

研究人员展示了一种改进的方法,用于产生由极短脉冲组成的碳离子束,预计对健康细胞的损害较小。实验表明,相对于较轻的氢核,可以选择性地加速目标中的碳核。概念验证表明,随着激光技术的预期进步,该技术可能会产生用于医疗用途的新的和更多功能的高能离子束源。

实验背景

在传统的癌症放疗中,X射线或粒子束在几分钟内将辐射递送给肿瘤。一种新出现的替代方法旨在在更短的时间内向肿瘤递送剂量(FLASH),这可能会减少对健康细胞的损害。然而,这种方法还未扩展到比质子大的离子,即使一些较重的离子,如对某些类型的肿瘤非常有效的碳离子。

一种用于快速加速离子的紧凑技术是用强激光脉撞击超薄目标。脉冲使材料蒸发,产生带电粒子的等离子体,然后激光在目标的远端加速。然而,在过去尝试将这种所谓的辐射压力加速用于除质子之外的离子时,等离子体通常同时包含质子和更重的原子核。激光的相互作用通常更容易加速质子,从而将激光能量转化为质子。这种效应阻碍了强碳离子束或其他离子束的研发。

研究方法

Aodhan McIlvenny研究团队发现,仔细选择目标的厚度可以解决上述问题。研究人员使用英国卢瑟福阿普尔顿实验室的GEMINI激光器,将40飞秒激光脉冲定向到表面氢为污染物的无定形碳目标上。该团队使用厚度从2纳米到100纳米不等的目标,将激光聚焦到直径大约为3微米的点上。该团队在下游检测到,在这种材料中产生的等离子体包含两种离子,分别为裸露的碳核和质子。

研究人员正在使用GEMINI激光设备中的高功率激光器选择性地加速碳离子

研究结果

研究团队人员表示,理论研究预测有一个最佳的目标厚度,使得辐射压力产生最有效的加速度。一般来说,更薄的目标应该能产生更多的高能离子,因为激光需要加速的离子质量更小。然而,如果目标太薄,激光将通过它而辐射压力不会产生重大影响。实验证实了这一预测,因为碳离子对15纳米厚的目标达到了最大能量。对于这些最佳目标,研究人员还发现质子的加速度降至最低。McIlvenny表示:“这是一个令人惊讶的结果,我们之前的模型和假设无法解释这一点。与正常情况相反,质子并没有主导加速过程。”

在进行了更多实验并进行计算机模拟后,该团队找到了基于激光脉冲形状的解释。任何真实激光脉冲的强度都是逐渐增加的,而不是瞬间开启的。通过计算机模拟,研究团队证明,对于理想的目标厚度来说,脉冲的早期部分足够强大,可以产生等离子体,然后将质子驱逐出等离子体。这个过程只留下碳离子被脉冲的主要部分加速。

未来展望

氢污染一直是困扰以前激光加速离子技术的一个主要问题。这项研究展示了一种从目标物中去除氢的方法。研究人员希望该技术可以进一步完善,并有助于开发更有效的癌症治疗方法。该团队目前已经开始研究超快碳离子脉冲对传统放疗抵抗的癌细胞的影响,尽管目前这些实验仅限于二维细胞。现有的激光产生的碳离子脉冲能量太少,无法穿透大多数三维组织,但随着激光技术的发展,该团队希望可以解决这个问题。

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