日本量子科學技術研究開發機構（QST）量子技術基礎研究部門關西光量子科學研究所的上席研究員森道昭等人的研究團隊與美國加利福尼亞大學歐文分校的田島俊樹教授、加拿大的滑鐵盧大學等機構展開合作，宣佈透過雷射照射具有大量中孔的玻璃板（微通道板），產生了同步輻射——高能電子束。該技術可應用於內視鏡型同步輻射（電子束）發生器，並有望降低暴露劑量實施無需屏蔽的癌症放射冶癒。相關研究成果已於3月28日發表在國際學術期刊《AIP Advances》上。
圖1 產生同步輻射的示意圖。研究團隊對玻璃板上有等隔膜排列中孔的微通道板（中央）進行雷射（左）照射，成功產生了高度定向的同步輻射（右）。（供圖：量子科學技術研究開發機構）
癌症的放射冶癒因不涉及對身體造成負擔的外科手術，被視爲是一種生活品質（QOL）較高的冶癒方法。但傳統的照射方法無法避免射線到達患處之前患者被輻射，操作人員方面也必須注意加速器運轉時產生的輻射，同時設備營運成本高是該方法的課題。
瞬時發光的脈衝雷射發光的時間越短，產生的光強度越強（峰值輸出）。基於這一原理，研究團隊此前一直在進行「雷射電漿加速」的研究，即利用臺式小型雷射裝置產生高峰值功率的雷射脈衝，並將光聚焦到微米大小，以產生高能電子或離子。這種加速機制是由田島俊樹博士（現爲加利福尼亞大學歐文分校教授）於1979年提出的。
此次，研究團隊以QST積累的技術爲基礎，使用了一種峰值功率不高但非常穩定的雷射裝置，力求實施高效且實用的電子加速。此前，田島教授已在研究中報告了即使使用峰值功率較低的雷射產生的電漿，也可以獲得能量足以用於工業、醫療等領域的電子束。然而，當時設想用於雷射照射的排列奈米碳管在製造上存在很多技術難題。
此次，研究團隊使用了一種更加簡易的市售微通道板。這是一種在玻璃板上密佈着約頭髮粗細十分之一大小中孔的材料，可以達到同等效果。
研究證實當使用脈衝雷射照射微通道板時，產生了可用於癌症冶癒的數百千電子伏特級別的高能電子束。實驗中使用的是1毫米見方面積内約有6000個10微米中孔的微通道板。
研究還證實，即使將激光強度降低到十分之一至百分之一，與用於飛秒雷射加工的激光強度相當，也能產生能量足以滿足包括癌症冶癒在内的醫療應用需求的電子束。
如果能夠製作一種將微小的微通道板固定在光纖前端的裝置，並與內視鏡結合使用，就可以在活體內靠近癌症組織的位置產生高能電子束，進行放射冶癒。由於同步輻射的發生僅限於光纖前端，因此可以降低在當前癌症放射冶癒中最讓人頭疼的暴露劑量問題，而且透過去除同步輻射的屏蔽設備，有望組裝形成低成本的癌症冶癒裝置。
森道昭表示：「這項研究具有壓倒性改善傳統同步輻射裝置用於癌症冶癒的潛力。雖然還只是邁出了第一步，但已經取得了非常好的結果。未來，我們希望朝着最適化裝置結構以滿足實際需求，開展細胞照射、動物實驗等進一步的隊形變換努力。此外，QST關西光量子科學研究所也在進行利用雷射技術實施重粒子束癌症冶癒儀小型化的相關開發工作。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：AIP Advances Volume 14, issue 3，(2024)
論文：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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