质子刀如今已成为治疗肿瘤的利器，但缺点是治疗费用十分昂贵。中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室日前利用超强超短激光驱动的高能质子加速器，获得了高于传统加速器1000倍的加速梯度，大大缩小了加速器规模，从而有望减少治疗费用，成为新一代激光质子刀。
这一工作10月17日发表在了《物理评论快报》上。
既杀死癌细胞，也保护健康细胞
相比传统的放疗方式，质子刀有何优势呢？众所周知，放疗主要是用高能放射线杀死肿瘤，但其副作用也很明显，在穿越身体的过程中会损失能量，沿途遇到健康细胞很容易会误杀。
相比于射线，质子有特殊的能量沉积峰“布拉格峰”。高能质子束在物质中传输时，损失的能量很少，几乎可以忽略不计。根据肿瘤细胞的位置，可计算出所需质子的能量，由于质子在传输过程中不会损失能量，它会精准地到达并沉积在肿瘤细胞末端。因此采用高能质子束治疗癌症时，既能杀死癌细胞，也能很好地保护健康细胞，这种治疗手段被形象地称之为质子刀。
加速梯度比传统加速器高出1000倍
不过，基于传统的直线加速器的质子刀，由于加速梯度（单位长度内粒子获得的能量）很小，要想达到较高的能量，加速距离会很长，装置也就很大，成本自然居高不下。这就像飞机起飞，需要在跑道上滑行一段距离，才能有一个比较大的速度。
“我们的实验获得的加速梯度非常大，比传统直线加速器高出了 1000倍。”文章第一作者、上海光机所助理研究员张辉告诉解放日报·上观新闻记者。科研人员利用圆偏振拍瓦级超强超短激光脉冲轰击40纳米厚度的薄膜靶，在微米量级的短距离中，获得了大流强、准单能的高品质质子束，质子能谱峰能量达到9兆电子伏特，峰值流强达到目前已知的最高值3×1012 protons/mev/sr。
用于肿瘤治疗的质子刀，需要满足能量高、准单能、流强大等条件。“激光质子刀研究虽已有近二十年时间，但同时满足这三个条件，还是很罕见的。”此次工作代表着激光驱动的质子刀方案向前迈出了关键一步，台式化的小型质子加速器成为了可能，从而有望把治疗成本降下来。
该团队此前在国际上率先获得了基于超强超短激光驱动的无碰撞冲击波加速的实验结果，这一加速机制正是产生这种高品质高能质子束的原因。目前实验得到的9兆电子伏特质子能量，可用于体表的皮肤癌治疗，而该机制预言质子能量未来可在现有激光条件下定标到百兆电子伏特，从而杀死身体深处的肿瘤细胞。
“如果用质子照相机给蜻蜓拍照，能达到微米量级的分辨率，可以把翅膀上的组织看得很清楚。”张辉说。据介绍，超强超短激光驱动产生的超短脉冲、高品质高能质子束还可应用于质子照相与材料检测、激光核聚变快点火、实验室天体物理、激光核物理和核医学等方面的研究。
【来源】上观新闻