基于超強脈沖激光的醫用質子輻射束特性研究

牟洪臣，王光昶，梁棟，陳旭，張建煒，鄭志堅

1.哈爾濱師范大學物理與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150080；2.成都醫學院物理教研室，四川成都610500；3.中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽621900

前言

當今威脅人類生命的主要疾病之一是腫瘤，而治療腫瘤的重要手段之一是放療。質子束輻照是新興的放療技術，質子治療效果好、副作用小，優于γ射線和電子束射線，已成為放療最有前景的發展方向。目前醫用質子束源于高能加速器，由氫離子源引出質子，經電場多次加速獲得高能量。與加速器質子源相比，激光質子源具有易于控制質子能量，易于實現Bragg 峰擴展，易于實現多束輻照，裝置規模小和價格低等優點。此外，加速器是輸出單能質子，但目前激光打靶的實驗數據表明強激光產生的高能質子并非單能，且具有特定的可控的能區分布。

近年來針對強激光醫用質子束特性及質子治療等進行了廣泛而深入的研究，已經取得了一定進展。2002年，Bulanov 等［1］對激光質子束在腫瘤治療的可行性進行了探討，并采用粒子模擬方法對幾種不同靶結構所產生的質子束特性進行了模擬分析。2006年，Ma 等［2］采用粒子模擬方法對激光質子束用于腫瘤治療的研究進展進行總結，包括用于癌癥治療的劑量研究、靶結構的設計、粒子/能量選擇以及粒子束準直的系統設計等。2007年，Li 等［3］對質子束特性（能量分布、轉換效率等）受激光偏振態的影響進行實驗研究；同年，Linz等［4］從質子束能量、質子能量可變度和單一度、劑量準確度和計量、質子束強度、劑量構造、均勻輸送、系統造價、輻射保護和環境考量等多個角度，系統地比較了目前傳統加速器質子治療儀和激光質子加速器的現狀，認為激光質子輻照源若要用于腫瘤治療，還存在著一些技術問題需要解決。

目前我國基于超強脈沖激光的醫用質子輻射束特性的研究還很不成熟［5-6］，因此，有必要開展實驗研究薄膜靶背表面法線方向發射的質子束流大小、質子束能譜、空間分布（角分布）、產額、光密度（Optical Density,OD）、束密度和能量分布與靶材料及厚度的關系等。本研究針對質子束空間分布、質子束密度分布、產額及質子束能譜進行了研究，從而為激光質子加速器治療裝置的小型化研制及腫瘤放射治療提供參考。

1 實驗設置和方法

實驗設置如圖1所示。本實驗是在中國工程物理研究院激光聚變中心的高溫高密度國家重點實驗室的飛秒激光脈沖裝置SILEX-I上進行的，設置各項指標為：激光波長800 nm，最大能量8.5 J，激光經拋面鏡聚焦至靶表面，離軸拋面鏡全反鏡F 數為f/3（f 代表焦距，為420 mm），脈寬30 fs，最大輸出功率286 TW，激光束直徑140 mm，激光信噪比好于1：10-5。采用針孔相機結合X光電荷耦合器件測量激光在靶面形成的X光焦斑；采用靶室外的長焦距顯微鏡對光學焦斑進行實時監測。本實驗采用不同厚度的C8H8和1.22 μm 的Al而組成的雙層平面靶及不同厚度的Cu薄膜靶。采用Cu薄膜靶測量時，沿著靶背法線方向，放置CR39核徑跡探測器，用于測量質子束密度和產額；放置Thomson離子譜儀，用于測量質子能譜。采用雙層薄膜平面靶測量時，將HD810 型號輻射變色片（Radiochromic Film,RCF）沿著靶背表面法線方向放置，用于探測質子的空間分布。

圖1 實驗設置簡圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

為了測量在薄膜靶背表面的質子束空間分布，在距離靶背26 mm左右的位置，將RCF（5 cm×5 cm）沿靶背法線方向放置。打靶時，靶室的真空度保持為10-2Pa，激光極化方式為p 極化，入射角度為23°。實驗的各種參數及RCF測量得到的平均值見表1。

2 實驗結果

2.1 質子束空間分布測量結果

本實驗采用HD810型號RCF測量質子束空間分布。圖2為典型的測量結果，反映了質子束的空間分布及RCF 的顏色變化，引起RCF 變色最主要原因的是質子。由于本實驗使用的RCF對高能X射線和超熱電子不敏感，因此，質子束流能量越高束流越強，RCF變色就越深，RCF所吸收的平均劑量就越大，即OD 越大。輻射變色是由于受輻照后薄膜顏色由透明逐漸變為藍色，質子束流的強弱和空間分布情況通過RCF輻射變色的強弱和范圍來反映。質子在物質中的散射較小，其在靠近射程末端處形成一個能量損失較大的Bragg峰，這個峰是由質子的電離特性引起的；在峰位附近出現了一個較為嚴重的電離輻射損傷區域，這是引起RCF變色的主要原因。

由圖2和表1可知，當采用相同厚度和材料薄膜靶時，激光功率密度越大則RCF的平均劑量越大，質子束流越強，成絲現象變弱。當Al 的厚度不變而減小C8H8厚度時，RCF的平均劑量也越大，質子束流越強。質子束空間張角大小相等，與焦斑大小無關。

表1 測得光密度值及實驗參數Tab.1 Optics density and experimental parameters

圖2 質子束空間分布Fig.2 Spatial distributions of proton beams

本實驗使用相同Al厚度（1.22 μm）時，質子束流隨C8H8厚度減小而增大，中心成絲經調制而變小。使用相同靶時，隨著激光功率密度增加，質子產額更高，中心成絲調制變小。如圖2所示，本實驗測量得到了3 種質子束空間分布：環狀結構、圓盤結構和中心成絲結構。

2.2 質子束密度分布和產額測量結果

在薄膜靶背表面法線方向放置CR39 核徑跡探測器膠片，質子發射的角分布用此膠片記錄，在CR39的豎直截面和水平截面分別測量質子束密度分布。對質子密度分布曲線進行高斯擬合就可獲得質子束角分布，而對角分布曲線進行積分就可獲得質子產額。

采用厚度為20 μm的Cu靶，以激光能量為490 mJ入射，固體靶面功率密度為（4.73×1017）W/cm2，累計打靶75發。分別在CR39的水平方向和豎直方向測量質子束密度分布，質子束直徑水平方向dx=7.544 8 mm，豎直方向dy=8.963 3 mm，平均d=（8.254 1±1.418 5）mm。CR39離靶表面距離為53.5 mm，算得質子束發射張角φ=8.844 2±1.516 6。對質子束密度分布進行積分，得到約為（9.0×104）a.u./發的質子產額。質子束密度分布曲線及其擬合結果見圖3。

圖3 質子束密度分布曲線及其擬合Fig.3 Intensity distribution curves of proton beams and Gauss fitting results

2.3 質子束能譜測量結果

采用Thomoson 離子磁譜儀測量靶背表面法線方向發射的質子的能量分布。將Thomoson 離子磁譜儀放置在靶背表面法線方向。由質子束角分布測量實驗可知，在靶背表面法線方向錐形區域內僅限質子發射。

本實驗在相同激光功率密度［約（5×1017）W?cm-2］條件下利用Thomson離子譜儀測量質子束能譜，該能譜是在飛秒激光與銅靶（厚度5、10、15 μm）的相互作用中產生，測量結果見圖4。質子束的截止能量與靶厚度存在一定的關系，即在激光能量大致相同的情況下，靶越薄，質子截止能量就越大；靶越厚，質子截止能量越小。

圖4 不同厚度靶的質子能譜Fig.4 Proton beam spectra of targets with different thickness

3 分析與討論

由前面的實驗結果可知，RCF的OD隨靶厚度的增加而減小，OD由下式確定［7］：

其中，I0是沒有加RCF 時測量得到的光強度；I是加RCF時測量得到每點的光強度。

由圖3測得的質子束密度和產額的情況可知，靶法線鞘層加速機制是質子產生的主要機理［8］，隨著激光能量的增加，質子產額也在增加。激光與等離子體相互作用產生的超熱電子構成的鞘層電場在固體靶背表面形成，電場加速離化的質子。隨著激光能量的增加，超熱電子吸收更多的激光能量，溫度逐漸上升，鞘層電場強度隨著超熱電子溫度的升高而增加，從而更有效地加速質子。通過激光能量的加大可以獲得更多質子產額［9］。

圖3和圖4的實驗結果表明，質子沿薄膜靶背表面法線方向發射是由于在激光脈沖的作用下，在靶前表面產生超熱電子后向靶內傳輸［10］?？梢酝ㄟ^有質動力勢估算［8］超熱電子溫度：

其中，a=Iλ2μm/1.37×1018，為歸一化的激光功率密度，λμm為激光波長［11］，以μm為單位；I為激光強度。超熱電子的數量由激光能量損失估計，為：

其中，f為激光能量吸收率，通常為11%～41%，本實驗取f=35%；E為激光能量。

靶背鞘層電場是由超熱電子穿過靶后形成的?？紤]到激光脈沖寬度的影響，靶背鞘層電場的電子密度為：

其中，D=cτlaser，是電子鞘層厚度，τlaser是激光脈寬，c是光速，S是電子鞘層面積，r是激光焦斑半徑，d是靶厚度，θ是激光焦斑被電子鞘層所張的半張角。

估算質子最大截止能量可利用自相似等溫膨脹的流體力學模型，表達式為［12］：其中，歸一化加速時間tp可以通過有質動力勢估算：

最近文獻報道了采用雙層靶提高加速質子產額［17］、采用固體氣體復合靶產生加速高能氦離子［18］、采用帶電粒子活化法［19］及采用通道靶方法［20］加速質子等研究，這些實驗方法的優勢和效果明顯，值得借鑒和深入研究。

4 結論

在超強飛秒脈沖激光與固體靶相互作用中，高能質子束在靶背表面法線方向產生，質子束發射的立體角的范圍、質子分布的空間形狀、質子束流的大小、質子產額的多少以及質子能量分布的特征等特性均與激光的功率密度、靶厚度、靶材料等參數密切相關。在靶背表面法線方向發射質子束時，質子束存在較小的發射立體角，質子束空間分布呈現環狀、圓盤狀、成絲狀分布；在復合靶前表面的Al厚度保持不變的情況下，質子束流隨著后表面C8H8層厚度的增加而減??；在一定能量位置處的質子束發射出現截止，截止能量的大小與固體靶厚度和靶材料相關。本實驗結果與質子靶法線鞘層加速機制模型吻合較好，說明這些結果能為激光質子加速器治療裝置的設計和研制及醫用腫瘤放射治療提供有意義的參考。本實驗是在很有限的實驗條件下開展的醫用質子束特性的初步研究，筆者還需繼續改善實驗條件來實現更具體、更詳細的研究過程。