以冷冻氢气为目标，用高功率激光改进质子加速的新方法

高强度激光脉冲撞击氢气射流时的阴影图（蓝色）。事先发送的较弱光脉冲有意将氢气喷流改变为三种不同的初始状态。资料来源：HZDR

用强激光脉冲使质子加速--这个还很年轻的概念与传统加速器相比具有许多优势。例如，似乎可以建造更为紧凑的设施。不过，迄今为止的原型设备都是在超薄金属箔片上发射激光脉冲，这些设备显示出一些弱点，特别是在加速质子的频率方面。

在德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR），一个国际工作组测试了一种新技术： 在这种方法中，冷冻氢气充当了激光脉冲的 "靶子"。研究小组在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上介绍说，这种方法将来可以作为先进肿瘤治疗理念的基础。

传统的质子加速器，如日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机，是通过强射频波加速粒子的。而在激光加速中，超强的光脉冲会对粒子产生推动作用： 极短而强大的激光脉冲被发射到薄如晶片的金属箔上。

光线将材料加热到一定程度，电子被大量射出，而重原子核则留在原地。由于电子带负电，原子核带正电，因此它们之间会形成一个强大的电场。

这个电场可以在几微米的距离内以巨大的力量发射质子脉冲，从而使质子达到传统加速器技术需要更长系统才能达到的能量。另一个优势是："通过激光加速，我们可以在一个质子束中装入大量粒子，"HZDR 物理学家 Karl Zeil 博士解释说。"这对肿瘤的放射治疗很有意义"。

然而，以前向金属箔发射激光脉冲的方法存在缺陷。首先，很难在一秒钟内产生多个质子脉冲--金属箔已经被一次激光发射破坏，因此必须反复更换。其次，加速过程相当复杂，相对难以控制。原因何在？要加速的质子来自积聚在金属箔上的碳氢化合物，这些碳氢化合物是一层污染物--这对实验的完美控制来说并不理想。

实验装置示意图： 通过从 HZDR 高功率激光器 DRACO 向持续补充的冷冻氢喷流（蓝色）发射强脉冲（红色），研究人员能够在极短距离内（橙色）对质子进行大规模加速。他们用同步光学激光脉冲（绿色）记录了这一过程。资料来源：SLAC 国家加速器实验室 / G. Stewart

金属丝代替金属箔
因此，以卡尔-泽尔（Karl Zeil）为核心的德美研究团队想出了一个替代方案："我们使用细小的强冷却氢气射流来代替金属箔。"研究人员说："这种射流可以作为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。这样，氢气进一步冷却，凝固成微米级的细丝：即激光脉冲的目标。由于氢丝会自我更新，因此激光器每次发射都能看到一个新的、完好无损的目标。

另一个好处是，这种设置允许采用更有利的加速机制：激光脉冲不只是加热材料，而是利用辐射压力将电子推出氢气，并产生加速质子所需的极端电场。研究小组能够通过在主激光脉冲前发送一个较弱的短光脉冲来优化这一过程。

这预热了冷冻氢丝，使其膨胀，横截面从五微米增大到五微米的数倍。这样就可以增加加速距离，优化工艺。

肿瘤治疗的前景
结果 "卡尔-蔡尔报告说："我们能够将质子能量提升到 80 兆电子伏。卡尔-蔡尔报告说："这接近之前的激光质子加速记录。但与以前的设备不同，我们的技术有可能每秒产生多个质子束"。

此外，利用高性能计算模拟氢目标的加速过程也相对容易--这项任务也涉及到 HZDR 的高级系统理解中心（CASUS）。"Zeil说："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。现在，专家们希望利用人工智能算法来提高激光脉冲与冷冻氢气喷流之间的 "命中率"。

这项技术对未来的放射治疗很有意义。如今，一些肿瘤已经成功地用质子进行了照射。激光加速可以增加剂量，从而缩短照射时间。正如 HZDR 的一项研究表明的那样，这可以更好地保护肿瘤周围的健康组织。

参考资料

Martin Rehwald et al, Ultra-short pulse laser acceleration of protons to 80 MeV from cryogenic hydrogen jets tailored to near-critical density, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39739-0