日本量子科学技术研究开发机构（QST）量子技术基础研究部门关西光量子科学研究所的上席研究员森道昭等人的研究团队与美国加利福尼亚大学欧文分校的田岛俊树教授、加拿大的滑铁卢大学等机构展开合作，宣布通过激光照射具有大量细孔的玻璃板（微通道板），产生了同步辐射——高能电子束。该技术可应用于内窥镜型同步辐射（电子束）发生器，并有望降低暴露剂量实现无需屏蔽的癌症放射治疗。相关研究成果已于3月28日发表在国际学术期刊《AIP Advances》上。
图1 产生同步辐射的示意图。研究团队对玻璃板上有等间隔排列细孔的微通道板（中央）进行激光（左）照射，成功产生了高度定向的同步辐射（右）。（供图：量子科学技术研究开发机构）
癌症的放射治疗因不涉及对身体造成负担的外科手术，被视为是一种生活质量（QOL）较高的治疗方法。但传统的照射方法无法避免射线到达患处之前患者被辐射，操作人员方面也必须注意加速器运转时产生的辐射，同时设备运营成本高是该方法的课题。
瞬时发光的脉冲激光器发光的时间越短，产生的光强度越强（峰值输出）。基于这一原理，研究团队此前一直在进行“激光等离子体加速”的研究，即利用台式小型激光装置产生高峰值功率的激光脉冲，并将光聚焦到微米大小，以产生高能电子或离子。这种加速机制是由田岛俊树博士（现为加利福尼亚大学欧文分校教授）于1979年提出的。
此次，研究团队以QST积累的技术为基础，使用了一种峰值功率不高但非常稳定的激光装置，力求实现高效且实用的电子加速。此前，田岛教授已在研究中报告了即使使用峰值功率较低的激光产生的等离子体，也可以获得能量足以用于工业、医疗等领域的电子束。然而，当时设想用于激光照射的排列碳纳米管在制造上存在很多技术难题。
此次，研究团队使用了一种更加简易的市售微通道板。这是一种在玻璃板上密布着约头发粗细十分之一大小细孔的材料，可以达到同等效果。
研究证实当使用脉冲激光照射微通道板时，产生了可用于癌症治疗的数百千电子伏特级别的高能电子束。实验中使用的是1毫米见方面积内约有6000个10微米细孔的微通道板。
研究还证实，即使将激光强度降低到十分之一至百分之一，与用于飞秒激光加工的激光强度相当，也能产生能量足以满足包括癌症治疗在内的医疗应用需求的电子束。
如果能够制作一种将微小的微通道板固定在光纤前端的装置，并与内窥镜结合使用，就可以在体内靠近癌症组织的位置产生高能电子束，进行放射治疗。由于同步辐射的发生仅限于光纤前端，因此可以降低在当前癌症放射治疗中最让人头疼的暴露剂量问题，而且通过去除同步辐射的屏蔽设备，有望组装形成低成本的癌症治疗装置。
森道昭表示：“这项研究具有压倒性改善传统同步辐射装置用于癌症治疗的潜力。虽然还只是迈出了第一步，但已经取得了非常好的结果。未来，我们希望朝着优化装置结构以满足实际需求，开展细胞照射、动物实验等进一步的发展努力。此外，QST关西光量子科学研究所也在进行利用激光技术实现重粒子束癌症治疗仪小型化的相关开发工作。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：AIP Advances Volume 14, issue 3，(2024)
论文：Experimental realization of near-critical-density laser wakefield acceleration: Efficient pointing 100-keV-class electron beam generation by microcapillary targets
DOI：doi.org/10.1063/5.0180773
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