牟洪臣，王光昶，梁棟，陳旭，張建煒，鄭志堅(jiān)

1.哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080；2.成都醫(yī)學(xué)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(dāng)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(zhì)子束輻照是新興的放療技術(shù)，質(zhì)子治療效果好、副作用小，優(yōu)于γ射線和電子束射線，已成為放療最有前景的發(fā)展方向。目前醫(yī)用質(zhì)子束源于高能加速器，由氫離子源引出質(zhì)子，經(jīng)電場多次加速獲得高能量。與加速器質(zhì)子源相比，激光質(zhì)子源具有易于控制質(zhì)子能量，易于實(shí)現(xiàn)Bragg 峰擴(kuò)展，易于實(shí)現(xiàn)多束輻照，裝置規(guī)模小和價格低等優(yōu)點(diǎn)。此外，加速器是輸出單能質(zhì)子，但目前激光打靶的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明強(qiáng)激光產(chǎn)生的高能質(zhì)子并非單能，且具有特定的可控的能區(qū)分布。

近年來針對強(qiáng)激光醫(yī)用質(zhì)子束特性及質(zhì)子治療等進(jìn)行了廣泛而深入的研究，已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。2002年，Bulanov 等［1］對激光質(zhì)子束在腫瘤治療的可行性進(jìn)行了探討，并采用粒子模擬方法對幾種不同靶結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的質(zhì)子束特性進(jìn)行了模擬分析。2006年，Ma 等［2］采用粒子模擬方法對激光質(zhì)子束用于腫瘤治療的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，包括用于癌癥治療的劑量研究、靶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、粒子/能量選擇以及粒子束準(zhǔn)直的系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。2007年，Li 等［3］對質(zhì)子束特性（能量分布、轉(zhuǎn)換效率等）受激光偏振態(tài)的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；同年，Linz等［4］從質(zhì)子束能量、質(zhì)子能量可變度和單一度、劑量準(zhǔn)確度和計(jì)量、質(zhì)子束強(qiáng)度、劑量構(gòu)造、均勻輸送、系統(tǒng)造價、輻射保護(hù)和環(huán)境考量等多個角度，系統(tǒng)地比較了目前傳統(tǒng)加速器質(zhì)子治療儀和激光質(zhì)子加速器的現(xiàn)狀，認(rèn)為激光質(zhì)子輻照源若要用于腫瘤治療，還存在著一些技術(shù)問題需要解決。

目前我國基于超強(qiáng)脈沖激光的醫(yī)用質(zhì)子輻射束特性的研究還很不成熟［5-6］，因此，有必要開展實(shí)驗(yàn)研究薄膜靶背表面法線方向發(fā)射的質(zhì)子束流大小、質(zhì)子束能譜、空間分布（角分布）、產(chǎn)額、光密度（Optical Density,OD）、束密度和能量分布與靶材料及厚度的關(guān)系等。本研究針對質(zhì)子束空間分布、質(zhì)子束密度分布、產(chǎn)額及質(zhì)子束能譜進(jìn)行了研究，從而為激光質(zhì)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(shí)驗(yàn)設(shè)置和方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的飛秒激光脈沖裝置SILEX-I上進(jìn)行的，設(shè)置各項(xiàng)指標(biāo)為：激光波長800 nm，最大能量8.5 J，激光經(jīng)拋面鏡聚焦至靶表面，離軸拋面鏡全反鏡F 數(shù)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(jī)結(jié)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(xué)焦斑進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。本實(shí)驗(yàn)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(zhì)子束密度和產(chǎn)額；放置Thomson離子譜儀，用于測量質(zhì)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(zhì)子的空間分布。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置簡圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

為了測量在薄膜靶背表面的質(zhì)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(shí)驗(yàn)的各種參數(shù)及RCF測量得到的平均值見表1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 質(zhì)子束空間分布測量結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采用HD810型號RCF測量質(zhì)子束空間分布。圖2為典型的測量結(jié)果，反映了質(zhì)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(zhì)子。由于本實(shí)驗(yàn)使用的RCF對高能X射線和超熱電子不敏感，因此，質(zhì)子束流能量越高束流越強(qiáng)，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?yōu)樗{(lán)色，質(zhì)子束流的強(qiáng)弱和空間分布情況通過RCF輻射變色的強(qiáng)弱和范圍來反映。質(zhì)子在物質(zhì)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(zhì)子的電離特性引起的；在峰位附近出現(xiàn)了一個較為嚴(yán)重的電離輻射損傷區(qū)域，這是引起RCF變色的主要原因。

由圖2和表1可知，當(dāng)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(zhì)子束流越強(qiáng)，成絲現(xiàn)象變?nèi)?。?dāng)Al 的厚度不變而減小C8H8厚度時，RCF的平均劑量也越大，質(zhì)子束流越強(qiáng)。質(zhì)子束空間張角大小相等，與焦斑大小無關(guān)。

表1 測得光密度值及實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Optics density and experimental parameters

圖2 質(zhì)子束空間分布Fig.2 Spatial distributions of proton beams

本實(shí)驗(yàn)使用相同Al厚度（1.22 μm）時，質(zhì)子束流隨C8H8厚度減小而增大，中心成絲經(jīng)調(diào)制而變小。使用相同靶時，隨著激光功率密度增加，質(zhì)子產(chǎn)額更高，中心成絲調(diào)制變小。如圖2所示，本實(shí)驗(yàn)測量得到了3 種質(zhì)子束空間分布：環(huán)狀結(jié)構(gòu)、圓盤結(jié)構(gòu)和中心成絲結(jié)構(gòu)。

2.2 質(zhì)子束密度分布和產(chǎn)額測量結(jié)果

在薄膜靶背表面法線方向放置CR39 核徑跡探測器膠片，質(zhì)子發(fā)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(zhì)子束密度分布。對質(zhì)子密度分布曲線進(jìn)行高斯擬合就可獲得質(zhì)子束角分布，而對角分布曲線進(jìn)行積分就可獲得質(zhì)子產(chǎn)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(jì)打靶75發(fā)。分別在CR39的水平方向和豎直方向測量質(zhì)子束密度分布，質(zhì)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(zhì)子束發(fā)射張角φ=8.844 2±1.516 6。對質(zhì)子束密度分布進(jìn)行積分，得到約為（9.0×104）a.u./發(fā)的質(zhì)子產(chǎn)額。質(zhì)子束密度分布曲線及其擬合結(jié)果見圖3。

圖3 質(zhì)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(zhì)子束能譜測量結(jié)果

采用Thomoson 離子磁譜儀測量靶背表面法線方向發(fā)射的質(zhì)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(zhì)子束角分布測量實(shí)驗(yàn)可知，在靶背表面法線方向錐形區(qū)域內(nèi)僅限質(zhì)子發(fā)射。

本實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(chǎn)生，測量結(jié)果見圖4。質(zhì)子束的截止能量與靶厚度存在一定的關(guān)系，即在激光能量大致相同的情況下，靶越薄，質(zhì)子截止能量就越大；靶越厚，質(zhì)子截止能量越小。

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

3 分析與討論

由前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度；I是加RCF時測量得到每點(diǎn)的光強(qiáng)度。

由圖3測得的質(zhì)子束密度和產(chǎn)額的情況可知，靶法線鞘層加速機(jī)制是質(zhì)子產(chǎn)生的主要機(jī)理［8］，隨著激光能量的增加，質(zhì)子產(chǎn)額也在增加。激光與等離子體相互作用產(chǎn)生的超熱電子構(gòu)成的鞘層電場在固體靶背表面形成，電場加速離化的質(zhì)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(qiáng)度隨著超熱電子溫度的升高而增加，從而更有效地加速質(zhì)子。通過激光能量的加大可以獲得更多質(zhì)子產(chǎn)額［9］。

圖3和圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，質(zhì)子沿薄膜靶背表面法線方向發(fā)射是由于在激光脈沖的作用下，在靶前表面產(chǎn)生超熱電子后向靶內(nèi)傳輸［10］?？梢酝ㄟ^有質(zhì)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(qiáng)度。超熱電子的數(shù)量由激光能量損失估計(jì)，為：

其中，f為激光能量吸收率，通常為11%～41%，本實(shí)驗(yàn)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。考慮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(zhì)子最大截止能量可利用自相似等溫膨脹的流體力學(xué)模型，表達(dá)式為［12］：其中，歸一化加速時間tp可以通過有質(zhì)動力勢估算：

最近文獻(xiàn)報(bào)道了采用雙層靶提高加速質(zhì)子產(chǎn)額［17］、采用固體氣體復(fù)合靶產(chǎn)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(zhì)子等研究，這些實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢和效果明顯，值得借鑒和深入研究。

4 結(jié)論

在超強(qiáng)飛秒脈沖激光與固體靶相互作用中，高能質(zhì)子束在靶背表面法線方向產(chǎn)生，質(zhì)子束發(fā)射的立體角的范圍、質(zhì)子分布的空間形狀、質(zhì)子束流的大小、質(zhì)子產(chǎn)額的多少以及質(zhì)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(shù)密切相關(guān)。在靶背表面法線方向發(fā)射質(zhì)子束時，質(zhì)子束存在較小的發(fā)射立體角，質(zhì)子束空間分布呈現(xiàn)環(huán)狀、圓盤狀、成絲狀分布；在復(fù)合靶前表面的Al厚度保持不變的情況下，質(zhì)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(zhì)子束發(fā)射出現(xiàn)截止，截止能量的大小與固體靶厚度和靶材料相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與質(zhì)子靶法線鞘層加速機(jī)制模型吻合較好，說明這些結(jié)果能為激光質(zhì)子加速器治療裝置的設(shè)計(jì)和研制及醫(yī)用腫瘤放射治療提供有意義的參考。本實(shí)驗(yàn)是在很有限的實(shí)驗(yàn)條件下開展的醫(yī)用質(zhì)子束特性的初步研究，筆者還需繼續(xù)改善實(shí)驗(yàn)條件來實(shí)現(xiàn)更具體、更詳細(xì)的研究過程。