科學家意外破解質子束重大難題，開啟新應用契機

科學家們意外地找到了一種革命性的方法，能夠運用高功率雷射和簡單的水流來產生質子束。以往傳統的方法需要大型且昂貴的加速器，而這次的新方法則是利用雷射電漿加速器，在一個相對緊湊的空間內產生超快質子束。

科學家們開發出一種嶄新的方法，透過高重複率雷射電漿加速器來產生快速、明亮的質子束。他們的研究成果發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上，這項研究克服了長期以來的挑戰，並推動該技術朝實際應用邁進，而這一切都要歸功於一道簡單的水流。

史丹佛直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室能源部高能密度科學部門主任、光子科學教授西格弗里德・格倫澤（Siegfried Glenzer）表示，這些令人振奮的成果為相對論性高功率雷射在醫學、加速器研究和慣性聚變等領域的新應用鋪平了道路。

質子束是高速的帶電粒子流，能夠精準地瞄准物質，因此在許多領域都具有重要價值。與X光會影響較大範圍不同，質子束能夠將能量集中在特定位置，這使得它在治療癌症、製造半導體以及進行先進科學研究等方面都非常有用。然而，要產生這些超快、高能的質子束仍然是一個挑戰。

傳統的粒子加速器，如同步加速器，使用強大的電磁鐵來加速、引導和聚焦粒子束。雖然這些系統對於科學發現至關重要，但它們體積龐大且成本高昂，使得它們難以在工業和醫療保健領域得到廣泛應用。一些先進的醫療中心已經開始使用質子束來治療腫瘤，能夠有選擇性地破壞癌細胞，同時將對周圍組織的損傷降到最低。然而，更緊湊、更具成本效益的質子束源可以顯著擴大該技術的應用範圍，從而實現新的醫療治療方法和工業應用。

雷射電漿加速器（LPAs）因此進入了人們的視野。LPAs使用高強度雷射擊中目標，產生的帶電粒子束能夠達到與傳統加速器相當的速度，但所需的距離卻大大縮短。科學家們正在探索將LPAs作為一種緊湊、經濟高效的方式來產生質子束，但一些技術挑戰阻礙了他們的進展。

其中一個挑戰來自於高強度雷射，它會在每次脈衝後破壞目標，因此每次射擊都需要一個新的目標。另一個問題是束流發散，LPAs產生的質子束通常會像泛光燈一樣散開，而不是保持狹窄的聚焦。目標替換的需求和束流發散都顯著降低了LPA系統的效率。

在最近的這項研究中，研究人員意外取得了突破，他們原本只打算解決一個問題，卻同時解決了多個問題。在英國盧瑟福阿普爾頓實驗室（STFC Rutherford Appleton Laboratory）的中央雷射設施工作時，團隊測試了一種由SLAC研究人員開發的新型目標。他們沒有使用傳統的固體目標，而是引入了一層薄薄的水幕，這是一種自我再生的水流，每次射擊後都能自行補充。當雷射擊中水面時，正如預期的那樣產生了質子束。

但接下來發生了令人驚訝的事情。蒸發的水在目標周圍形成了一個蒸汽雲，它與質子束相互作用產生了磁場。這些磁場自然地聚焦了質子束，使得質子束更加明亮、排列更加緊密。

與使用固體目標的類似實驗相比，水幕使質子束的發散度降低了一個數量級，並使束流效率提高了一百倍。質子束表現出了非凡的穩定性，在數百次雷射射擊中，始終保持每秒五個脈衝的運行速度。

參與設計水幕目標、進行數據分析並為論文第二作者的史丹佛大學博士生格里芬・格倫（Griffin Glenn）表示，這種效果完全出乎意料。這次實驗中有大量的變量，包括雷射、水幕和真空環境的詳細特性，使得預測這種效果變得不可能。

然而，在觀察到這一現象後，團隊利用實驗數據進行了建模，並對驅動這一效果的潛在力量有了更深入的理解。團隊的研究結果表明，這種方法可以擴展到更高能量的系統中，從而產生更明亮、更有能量的質子束。

格倫澤表示：「這項工作徹底改變了整個模式。終於，我們不再完全依賴模擬。現在我們可以從實驗的角度推動物理研究，測試不同的雷射強度、目標密度和環境壓力。整個物理領域都展現在我們面前。」

值得注意的是，質子束每次射擊都能穩定地輸出相當於40戈瑞的劑量，這是質子治療中使用的標準輻射劑量，此前從未在以這種重複率運行的LPAs中實現過。此外，這些結果是使用一個容易獲得的低能量雷射系統達成的，這標誌著LPAs在醫學和工業實際應用方面取得了重大進展。

該研究由M. J. V. Streeter、G. D. Glenn等人完成，於2025年1月24日發表在《自然通訊》上，DOI: 10.1038/s41467 - 025 - 56248 - 4。這項研究在英國盧瑟福阿普爾頓實驗室的中央雷射設施進行，部分資金由美國能源部科學辦公室、能源部國家核安全管理局和國家科學基金會提供。