面向未来离子束癌症治疗的激光离子加速——数值模拟研究

离子束已用于癌症治疗，其独特的优势在于能将主要能量沉积在人体内部，从而杀死癌细胞。然而，传统离子加速器往往体积庞大且成本高昂。本文提出了一种未来的强激光离子加速器方案，以实现加速器的紧凑化。研究采用飞秒强脉冲激光来加速离子。激光离子加速器面临的问题包括从激光到离子的能量效率、离子束准直、离子能谱控制、离子束团聚以及离子粒子能量控制。本研究通过粒子计算机模拟来解决这些问题，并设计了各个组件以控制离子束质量。当强激光照射靶材时，靶材中的电子被加速并离开靶材；在高能电子与靶离子之间暂时形成强电场，从而加速靶离子。通过使用具有精细亚波长结构的固体靶或近临界密度气体等离子体，提高了从激光到离子的能量效率。通过在固体靶后方设置孔洞实现了离子束准直。通过多级激光 - 靶相互作用成功实现了离子能谱控制、离子粒子能量控制以及离子束团聚。本研究基于控制离子束质量和参数所需的各组件研究，提出了一种未来紧凑型激光离子加速器的新概念。