德国HZDR研究所测试了一项新技术：用冷冻氢充当激光脉冲的“靶区”，可改进高功率激光质子加速。研究结果发表在Nature Communications上，该方法将来可以作为肿瘤质子治疗概念的相关基础。
高强度激光脉冲撞击氢气气流时的阴影图(蓝色)，提前发送的较弱光脉冲故意将氢气喷射改变为三种不同的初始状态。图片来源：HZDR
传统的质子加速器，例如欧洲日内瓦CERN的大型强子对撞机，通过强射频波进行粒子加速。
在激光加速中，超亮光脉冲可以加速粒子，用极短而强大的激光脉冲发射到薄薄的金属箔上。光将材料加热到喷射出大量电子，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。强电场可以在仅几微米的距离内以巨大的力发射质子脉冲，从而达到传统加速器技术需要更长的距离发出的能量。另一个优点，通过激光加速可以将大量粒子打包到一个质子束流中，在肿瘤的放射治疗中会有很好的效果，可以将更多的放射能量集中于肿瘤病灶。
然而，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，箔片单次激光照射已经被破坏，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容易积聚在金属箔上，从而影响实验控制。
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射流(蓝色)发射强脉冲(红色)，研究人员能够在极短的距离(橙色)内大幅加速质子，用同步光学激光脉冲(绿色)记录了这一过程。图片来源：SLAC
强冷却氢流代替箔
研究团队提出替代方案：使用精细的强冷却氢流代替金属箔，充当高强度激光脉冲的靶区。
具体来说，专家们将铜块中的氢气冷却至液态，然后液态氢通过治疗头流入真空室，进一步冷却并凝固成微米级细丝，作为激光脉冲的靶区。由于氢丝会自我更新，因此每次发射激光时，都会有一个新的、完整的靶区。
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。该团队表明在主激光脉冲前面发送一个短而弱的光脉冲可以优化该过程。
预热冷冻的氢丝使其膨胀，其横截面从5 μm增大到其尺寸的几倍，增加加速距离，进行对应优化。
质子治疗应用
研究团队表明，该方法能够将质子的能量提高到80 MeV，接近激光质子加速记录。但与之前的设施不同，每秒可产生多个质子束流。
此外，使用高性能计算来模拟氢靶区标的加速过程相对容易，能够更好地理解和优化激光与物质之间的相互作用。现在，专家们希望使用人工智能算法来提高激光脉冲和冷冻氢流之间的“命中率” 。
这项技术对于未来的质子放射治疗而言非常重要，激光加速可以增加质子放射剂量，从而缩短照射时间，可以更好地保护肿瘤周围的健康组织。
