上海光机所知识创新简报（第四二六期）2017年10月20日
上海光机所激光质子刀研究取得重要进展 在徐至展院士、李儒新研究员的领导下，中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室近期在激光质子刀研究中取得重要进展。科研人员利用圆偏振拍瓦级超强超短激光脉冲轰击纳米厚度薄膜靶，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9MeV，峰值流强高达3×10
12 protons/MeV/sr。这一结果代表着激光驱动的质子刀方案向前迈出了关键一步。
高能质子束在物质中传输时具体独特的布拉格峰，即质子在传输路径上损失能量很少，能量主要沉积在末端。因此采用高能质子束治疗体内癌症时，在杀死癌细胞的同时，能很好地保护健康细胞，这种治疗手段被称为质子刀。基于传统加速器的质子刀肿瘤治疗在国内外都已取得很大进展。临床效果非常好，但缺点是治疗费用十分昂贵，难以普及。
超强超短激光驱动的以等离子体为工作介质的高能质子加速器，由于其加速梯度（单位长度内粒子获得的能量）远大于传统加速器，大大缩小加速器规模，从而有望减少治疗费用，服务于大众，成为新一代质子刀，即激光质子刀。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，并取得了很多理论和实验进展，但同时满足这些条件还有很大困难，其实际应用受到制约。
在本次研究中，科研人员分析表明，基于无碰撞激波的加速机制是产生这种高品质高能质子束的原因，该机制预言质子能量可在现有的激光条件下定标到百兆电子伏特，满足质子刀肿瘤治疗的要求。这一工作发表在10月17日的《物理评论快报》[Physical Review Letters 119, 164801 (2017)]。此前，该团队已经利用线偏振激光在国际上率先获得了基于超强超短激光的无碰撞冲击波加速的实验结果[Physics of Plasmas 22, 013113 (2015)]。
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。
该项研究得到了中科院先导B类专项、国家重点研发计划及国家自然科学基金等项目的支持。（强场激光物理国家重点实验室供稿）
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圆偏振拍瓦超强超短激光驱动的无碰撞激波加速高品质质子束的示意图
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