基于超强脉冲激光的医用质子辐射束特性研究

牟洪臣，王光昶，梁栋，陈旭，张建炜，郑志坚

1.哈尔滨师范大学物理与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080；2.成都医学院物理教研室，四川成都610500；3.中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900

前言

当今威胁人类生命的主要疾病之一是肿瘤，而治疗肿瘤的重要手段之一是放疗。质子束辐照是新兴的放疗技术，质子治疗效果好、副作用小，优于γ射线和电子束射线，已成为放疗最有前景的发展方向。目前医用质子束源于高能加速器，由氢离子源引出质子，经电场多次加速获得高能量。与加速器质子源相比，激光质子源具有易于控制质子能量，易于实现Bragg 峰扩展，易于实现多束辐照，装置规模小和价格低等优点。此外，加速器是输出单能质子，但目前激光打靶的实验数据表明强激光产生的高能质子并非单能，且具有特定的可控的能区分布。

近年来针对强激光医用质子束特性及质子治疗等进行了广泛而深入的研究，已经取得了一定进展。2002年，Bulanov 等［1］对激光质子束在肿瘤治疗的可行性进行了探讨，并采用粒子模拟方法对几种不同靶结构所产生的质子束特性进行了模拟分析。2006年，Ma 等［2］采用粒子模拟方法对激光质子束用于肿瘤治疗的研究进展进行总结，包括用于癌症治疗的剂量研究、靶结构的设计、粒子/能量选择以及粒子束准直的系统设计等。2007年，Li 等［3］对质子束特性（能量分布、转换效率等）受激光偏振态的影响进行实验研究；同年，Linz等［4］从质子束能量、质子能量可变度和单一度、剂量准确度和计量、质子束强度、剂量构造、均匀输送、系统造价、辐射保护和环境考量等多个角度，系统地比较了目前传统加速器质子治疗仪和激光质子加速器的现状，认为激光质子辐照源若要用于肿瘤治疗，还存在着一些技术问题需要解决。

目前我国基于超强脉冲激光的医用质子辐射束特性的研究还很不成熟［5-6］，因此，有必要开展实验研究薄膜靶背表面法线方向发射的质子束流大小、质子束能谱、空间分布（角分布）、产额、光密度（Optical Density,OD）、束密度和能量分布与靶材料及厚度的关系等。本研究针对质子束空间分布、质子束密度分布、产额及质子束能谱进行了研究，从而为激光质子加速器治疗装置的小型化研制及肿瘤放射治疗提供参考。

1 实验设置和方法

实验设置如图1所示。本实验是在中国工程物理研究院激光聚变中心的高温高密度国家重点实验室的飞秒激光脉冲装置SILEX-I上进行的，设置各项指标为：激光波长800 nm，最大能量8.5 J，激光经抛面镜聚焦至靶表面，离轴抛面镜全反镜F 数为f/3（f 代表焦距，为420 mm），脉宽30 fs，最大输出功率286 TW，激光束直径140 mm，激光信噪比好于1：10-5。采用针孔相机结合X光电荷耦合器件测量激光在靶面形成的X光焦斑；采用靶室外的长焦距显微镜对光学焦斑进行实时监测。本实验采用不同厚度的C8H8和1.22 μm 的Al而组成的双层平面靶及不同厚度的Cu薄膜靶。采用Cu薄膜靶测量时，沿着靶背法线方向，放置CR39核径迹探测器，用于测量质子束密度和产额；放置Thomson离子谱仪，用于测量质子能谱。采用双层薄膜平面靶测量时，将HD810 型号辐射变色片（Radiochromic Film,RCF）沿着靶背表面法线方向放置，用于探测质子的空间分布。

图1 实验设置简图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

为了测量在薄膜靶背表面的质子束空间分布，在距离靶背26 mm左右的位置，将RCF（5 cm×5 cm）沿靶背法线方向放置。打靶时，靶室的真空度保持为10-2Pa，激光极化方式为p 极化，入射角度为23°。实验的各种参数及RCF测量得到的平均值见表1。

2 实验结果

2.1 质子束空间分布测量结果

本实验采用HD810型号RCF测量质子束空间分布。图2为典型的测量结果，反映了质子束的空间分布及RCF 的颜色变化，引起RCF 变色最主要原因的是质子。由于本实验使用的RCF对高能X射线和超热电子不敏感，因此，质子束流能量越高束流越强，RCF变色就越深，RCF所吸收的平均剂量就越大，即OD 越大。辐射变色是由于受辐照后薄膜颜色由透明逐渐变为蓝色，质子束流的强弱和空间分布情况通过RCF辐射变色的强弱和范围来反映。质子在物质中的散射较小，其在靠近射程末端处形成一个能量损失较大的Bragg峰，这个峰是由质子的电离特性引起的；在峰位附近出现了一个较为严重的电离辐射损伤区域，这是引起RCF变色的主要原因。

由图2和表1可知，当采用相同厚度和材料薄膜靶时，激光功率密度越大则RCF的平均剂量越大，质子束流越强，成丝现象变弱。当Al 的厚度不变而减小C8H8厚度时，RCF的平均剂量也越大，质子束流越强。质子束空间张角大小相等，与焦斑大小无关。

表1 测得光密度值及实验参数Tab.1 Optics density and experimental parameters

图2 质子束空间分布Fig.2 Spatial distributions of proton beams

本实验使用相同Al厚度（1.22 μm）时，质子束流随C8H8厚度减小而增大，中心成丝经调制而变小。使用相同靶时，随着激光功率密度增加，质子产额更高，中心成丝调制变小。如图2所示，本实验测量得到了3 种质子束空间分布：环状结构、圆盘结构和中心成丝结构。

2.2 质子束密度分布和产额测量结果

在薄膜靶背表面法线方向放置CR39 核径迹探测器胶片，质子发射的角分布用此胶片记录，在CR39的竖直截面和水平截面分别测量质子束密度分布。对质子密度分布曲线进行高斯拟合就可获得质子束角分布，而对角分布曲线进行积分就可获得质子产额。

采用厚度为20 μm的Cu靶，以激光能量为490 mJ入射，固体靶面功率密度为（4.73×1017）W/cm2，累计打靶75发。分别在CR39的水平方向和竖直方向测量质子束密度分布，质子束直径水平方向dx=7.544 8 mm，竖直方向dy=8.963 3 mm，平均d=（8.254 1±1.418 5）mm。CR39离靶表面距离为53.5 mm，算得质子束发射张角φ=8.844 2±1.516 6。对质子束密度分布进行积分，得到约为（9.0×104）a.u./发的质子产额。质子束密度分布曲线及其拟合结果见图3。

图3 质子束密度分布曲线及其拟合Fig.3 Intensity distribution curves of proton beams and Gauss fitting results

2.3 质子束能谱测量结果

采用Thomoson 离子磁谱仪测量靶背表面法线方向发射的质子的能量分布。将Thomoson 离子磁谱仪放置在靶背表面法线方向。由质子束角分布测量实验可知，在靶背表面法线方向锥形区域内仅限质子发射。

本实验在相同激光功率密度［约（5×1017）W∙cm-2］条件下利用Thomson离子谱仪测量质子束能谱，该能谱是在飞秒激光与铜靶（厚度5、10、15 μm）的相互作用中产生，测量结果见图4。质子束的截止能量与靶厚度存在一定的关系，即在激光能量大致相同的情况下，靶越薄，质子截止能量就越大；靶越厚，质子截止能量越小。

图4 不同厚度靶的质子能谱Fig.4 Proton beam spectra of targets with different thickness

3 分析与讨论

由前面的实验结果可知，RCF的OD随靶厚度的增加而减小，OD由下式确定［7］：

其中，I0是没有加RCF 时测量得到的光强度；I是加RCF时测量得到每点的光强度。

由图3测得的质子束密度和产额的情况可知，靶法线鞘层加速机制是质子产生的主要机理［8］，随着激光能量的增加，质子产额也在增加。激光与等离子体相互作用产生的超热电子构成的鞘层电场在固体靶背表面形成，电场加速离化的质子。随着激光能量的增加，超热电子吸收更多的激光能量，温度逐渐上升，鞘层电场强度随着超热电子温度的升高而增加，从而更有效地加速质子。通过激光能量的加大可以获得更多质子产额［9］。

图3和图4的实验结果表明，质子沿薄膜靶背表面法线方向发射是由于在激光脉冲的作用下，在靶前表面产生超热电子后向靶内传输［10］。可以通过有质动力势估算［8］超热电子温度：

其中，a=Iλ2μm/1.37×1018，为归一化的激光功率密度，λμm为激光波长［11］，以μm为单位；I为激光强度。超热电子的数量由激光能量损失估计，为：

其中，f为激光能量吸收率，通常为11%～41%，本实验取f=35%；E为激光能量。

靶背鞘层电场是由超热电子穿过靶后形成的。考虑到激光脉冲宽度的影响，靶背鞘层电场的电子密度为：

其中，D=cτlaser，是电子鞘层厚度，τlaser是激光脉宽，c是光速，S是电子鞘层面积，r是激光焦斑半径，d是靶厚度，θ是激光焦斑被电子鞘层所张的半张角。

估算质子最大截止能量可利用自相似等温膨胀的流体力学模型，表达式为［12］：其中，归一化加速时间tp可以通过有质动力势估算：

最近文献报道了采用双层靶提高加速质子产额［17］、采用固体气体复合靶产生加速高能氦离子［18］、采用带电粒子活化法［19］及采用通道靶方法［20］加速质子等研究，这些实验方法的优势和效果明显，值得借鉴和深入研究。

4 结论

在超强飞秒脉冲激光与固体靶相互作用中，高能质子束在靶背表面法线方向产生，质子束发射的立体角的范围、质子分布的空间形状、质子束流的大小、质子产额的多少以及质子能量分布的特征等特性均与激光的功率密度、靶厚度、靶材料等参数密切相关。在靶背表面法线方向发射质子束时，质子束存在较小的发射立体角，质子束空间分布呈现环状、圆盘状、成丝状分布；在复合靶前表面的Al厚度保持不变的情况下，质子束流随着后表面C8H8层厚度的增加而减小；在一定能量位置处的质子束发射出现截止，截止能量的大小与固体靶厚度和靶材料相关。本实验结果与质子靶法线鞘层加速机制模型吻合较好，说明这些结果能为激光质子加速器治疗装置的设计和研制及医用肿瘤放射治疗提供有意义的参考。本实验是在很有限的实验条件下开展的医用质子束特性的初步研究，笔者还需继续改善实验条件来实现更具体、更详细的研究过程。