馬文君 劉志鵬 王鵬杰 趙家瑞 顏學(xué)慶3)

1) (北京大學(xué), 核物理與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871)

2) (北京激光加速創(chuàng)新中心, 北京 101407)

3) (北京大學(xué), 應(yīng)用物理研究中心, 北京 100871)

1 引 言

高能離子束在基礎(chǔ)研究、材料學(xué)、輻射育種及核醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域具有重要價值和廣泛應(yīng)用.由于材料電離擊穿閾值的限制, 傳統(tǒng)加速器加速梯度通常低于100 MV/m, 導(dǎo)致高能離子加速器體積巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴.隨著激光技術(shù)的迅猛發(fā)展, 近年來人們發(fā)現(xiàn), 光強(qiáng)達(dá)到相對論強(qiáng)度(I ＞1018W/cm2)的超強(qiáng)激光與特定的靶相互作用時,可驅(qū)動靶內(nèi)大量電子集體運(yùn)動, 產(chǎn)生極強(qiáng)的縱向電場加速離子.其加速梯度可達(dá)傳統(tǒng)加速器的103—106倍, 能在微米-飛秒量級的時空尺度內(nèi)將帶電粒子加速至接近光速, 是有著巨大潛力的新型粒子加速方法.大量理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 激光加速離子束具有源尺寸小(微米量級)、脈寬短(皮秒尺度)、瞬態(tài)流強(qiáng)密度高(1010A/cm2)、能譜寬等不同于傳統(tǒng)加速器束流的特點(diǎn), 在聚變反應(yīng)快點(diǎn)火、超快離子成像、超快輻射化學(xué)研究、離子束腫瘤治療等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4].

在諸多應(yīng)用當(dāng)中, 基于激光質(zhì)子的腫瘤治療是最吸引人的方向之一.質(zhì)子/重離子放療是當(dāng)下最先進(jìn)的腫瘤放射治療方法[5], 目前主要使用射頻加速器(包括同步加速器與回旋加速器)來加速高能離子, 其昂貴的造價和維護(hù)費(fèi)用極大地制約著質(zhì)子/重離子放療的推廣和普及.相比于傳統(tǒng)加速器, 激光質(zhì)子加速器在設(shè)備需求空間、安裝難度、運(yùn)行和維護(hù)成本、輻射防護(hù)難度、系統(tǒng)復(fù)雜程度等方面有巨大的潛在優(yōu)勢.利用高磁場梯度的超小型脈沖磁鐵或等離子體透鏡對靶后質(zhì)子流進(jìn)行收集與控制,可獲得與傳統(tǒng)加速器品質(zhì)相當(dāng)?shù)膯文苁鱗6].采用消色散的束流傳輸系統(tǒng), 可通過能譜剪裁方法直接獲得寬譜質(zhì)子束流進(jìn)行適配治療[7].可以預(yù)期, 基于激光加速器的激光質(zhì)子放療系統(tǒng)一旦研制成功,將可以安裝在各大醫(yī)院現(xiàn)場, 大幅降低癌癥患者的治療費(fèi)用, 推動質(zhì)子放療在我國的普及.

目前, 國際上已有不少研究者開展了激光質(zhì)子束在輻射生物學(xué)上的應(yīng)用研究[8-12], 其超高的劑量率(＞ 109Gy/s)對于新興的FLASH 放療[13]有著重要的價值.然而, 激光加速質(zhì)子要達(dá)到放療所要求的最大能量、平均流強(qiáng)和穩(wěn)定性等要求, 仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)[14].首當(dāng)其沖的挑戰(zhàn)來自于能量.質(zhì)子束對位于人體內(nèi)深處的腫瘤進(jìn)行放療時, 質(zhì)子能量要達(dá)到200 MeV 以上[15], 而目前實(shí)驗(yàn)上獲得的最高質(zhì)子能量僅為94 MeV[16], 還顯著低于需求能量.

本文回顧了近年來激光驅(qū)動高能質(zhì)子加速的標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)進(jìn)展, 探討了獲得高能質(zhì)子的關(guān)鍵物理問題及技術(shù)瓶頸.著重介紹了一些未來有可能產(chǎn)生200 MeV 以上質(zhì)子的激光加速方案, 分析了其可行性和亟待解決的問題.最后對激光加速高能質(zhì)子的前景進(jìn)行了展望.

2 高能質(zhì)子加速實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

在過去的二十年左右的時間里, 超強(qiáng)激光驅(qū)動的質(zhì)子加速研究在理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了很大進(jìn)展, 已有相關(guān)文獻(xiàn)給出了較全面的綜述[17,18].目前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的加速機(jī)制包括: 靶背鞘場加速(target normal sheath acceleration, TNSA)、輻射壓加速(radiation pressure acceleration, RPA)、無碰撞靜電激波加速(collisionless electrostatic shock acceleration, CES)、靶破燒蝕加速(breakout afterburner acceleration, BOA)、庫侖爆炸加速(Coulomb explosion, CE)“鉆孔”加速(holeborning, HB)等.本節(jié)主要介紹TNSA, RPA 及CES這三種最重要的加速機(jī)制的物理圖像及標(biāo)志性實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2.1 TNSA 機(jī)制

TNSA 機(jī)制是目前研究最為深入的一種加速機(jī)制, 其基本物理圖像如圖1 所示.當(dāng)具有相對論強(qiáng)度的激光入射到較厚的固體靶表面時, 在前表面附近通過共振吸收、真空加熱、J×B加熱等機(jī)制產(chǎn)生大量高能熱電子[19].這部分熱電子在靶內(nèi)往返運(yùn)動, 最終穿過靶體, 在靶后表面外形成高溫高密度電子層.由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子, 在初始階段大部分離子保持不動.靶外的電子層與靶內(nèi)的離子共同形成一個很強(qiáng)的準(zhǔn)靜態(tài)縱向電場(鞘層場),場強(qiáng)可以達(dá)到TV/m 的量級.逸出靶外的質(zhì)子及其他種類的離子在這個電場中可在極短的時間內(nèi)(＜ 1 ps)被加速到很高的能量并沿著靶后法線方向以一定的立體角出射.在實(shí)驗(yàn)中, TNSA 機(jī)制能夠較穩(wěn)定地獲得能量為數(shù)MeV 到數(shù)十MeV 的質(zhì)子[20-28], 是目前應(yīng)用最廣泛的一種加速機(jī)制.

圖1 靶背鞘層場加速機(jī)制Fig.1.Target normal sheath acceleration regime.

2000 年, Snavely 等[29]利用拍瓦激光轟擊厚度為100 μm 的碳?xì)浒? 在靶背方向觀察到最高能量(截止能量)為58 MeV 的強(qiáng)流質(zhì)子束, 能譜呈現(xiàn)典型的指數(shù)下降特, 如圖2 所示.這是實(shí)驗(yàn)上首次觀察到能量為數(shù)十MeV 的高能質(zhì)子束流, 引起了很大的反響, 也掀起了后續(xù)激光驅(qū)動離子加速研究的熱潮.在短短四、五年內(nèi), 發(fā)表了大量的理論工作, 很快證實(shí)了TNSA 加速的物理機(jī)制[30,31].實(shí)驗(yàn)上, 前期主要使用脈沖寬度大于100 fs 的激光研究了激光光強(qiáng)[32]、靶材厚度[33]、激光對比度[34]等參數(shù)對加速的影響.2008 年后, 更多的基于超短脈沖激光的質(zhì)子加速結(jié)果被報(bào)道[35-42].使用基于鈦藍(lán)寶石晶體的飛秒脈沖激光作為驅(qū)動光, 可較經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)Hz 級的重頻打靶, 這對于很多應(yīng)用來說非常重要.因此, 近年來超短脈沖驅(qū)動的TNSA 加速逐漸成為主流發(fā)展方向.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 使用拍瓦(1015W)級的飛秒脈沖激光, 在對比度較好的情況下, 可以比較普遍地通過TNSA 機(jī)制獲得30—50 MeV 的質(zhì)子[43].

為了獲得更高能量的質(zhì)子, 研究者們嘗試使用了多種方案來提升加速效果[44-50], 目前實(shí)驗(yàn)上通過TNSA 機(jī)制得到的質(zhì)子最大能量為85 MeV,由Wagner 等[51]在2016 年, 通過提升激光的對比度, 采用較薄的靶(900 nm)獲得.采用薄靶時,一方面電子通過靶體時的發(fā)散與降能會被抑制, 另一方面熱電子在靶前后表面的往復(fù)回流次數(shù)也會增加, 這兩個因素都會增強(qiáng)靶后鞘場, 有助于產(chǎn)生更高能量的質(zhì)子[52].

圖2 首次開展靶背鞘層場激光加速實(shí)驗(yàn)[29] (a) 靶背發(fā)射質(zhì)子分布; (b) 質(zhì)子能譜指數(shù)型分布Fig.2.First experiment of ion acceleration in the TNSA regime[29]: (a) Distribution of proton emission from the rear target; (b) exponential energy spectra of accelerated protons.

TNSA 機(jī)制不足之處在于質(zhì)子能量相對于激光光強(qiáng)的定標(biāo)率較差, 能量轉(zhuǎn)化效率較低.激光能量首先轉(zhuǎn)化為熱電子, 再經(jīng)由熱電子建立的準(zhǔn)靜電場轉(zhuǎn)化為質(zhì)子能量, 不可避免地會造成大量能量的損失.理論和實(shí)驗(yàn)表明, TNSA 加速質(zhì)子的截止能量與激光強(qiáng)度的1/2 次方成正比(Ep∝I1/2)[30].并且, 脈沖長度也不能太短.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式外推,要達(dá)到截止能量200 MeV 的質(zhì)子輸出, 需要激光強(qiáng)度 4×1021W/cm2, 脈寬1 ps 的激光[53].這樣大能量高光強(qiáng)的激光器造價非常昂貴且目前的光束品質(zhì)還達(dá)不到要求.2018 年, Nakatsutsumi 等[54]在模擬中發(fā)現(xiàn), 激光與等離子體相互作用會產(chǎn)生強(qiáng)烈的自生磁場, 熱電子發(fā)生磁化, 導(dǎo)致離子在鞘場中發(fā)生偏離, 從而抑制離子加速.他們認(rèn)為, 即使繼續(xù)提高激光強(qiáng)度, 也很難通過TNSA 機(jī)制獲得數(shù)百M(fèi)eV 的質(zhì)子.

對于很多應(yīng)用, 單能的束流具有更大的價值.TNSA 機(jī)制天然產(chǎn)生的能譜是指數(shù)型的, 但是可以通過使用特殊的靶材產(chǎn)生準(zhǔn)單能的質(zhì)子束.2006 年,Schwoerer 等[55]在平面靶后放置微型結(jié)構(gòu)靶, 使得靶后鞘場分布更加均勻, 實(shí)驗(yàn)中獲得了中心能量1.2 MeV, 能散25%的準(zhǔn)單能質(zhì)子束.這種方法雖然可以獲得單能性較好的束流, 但是能量轉(zhuǎn)化效率較低, 相比于先產(chǎn)生寬譜質(zhì)子束再通過束流光學(xué)系統(tǒng)選能及單色化的方案并沒有明顯優(yōu)勢, 因此實(shí)際應(yīng)用價值有限.

2.2 RPA 機(jī)制

隨著激光技術(shù)的進(jìn)步, 脈沖寬度為數(shù)十飛秒,焦點(diǎn)峰值光強(qiáng)超過 1 019W/cm2的超短超強(qiáng)脈沖激光被用于了離子加速研究中.在這樣的光強(qiáng)下, 當(dāng)激光與厚度僅為數(shù)納米的超薄固體靶相互作用時,激光光壓可以直接將靶中的冷電子集體推出, 在靶外形成高密度的電子壓縮層.離子在強(qiáng)大的電荷分離場作用下, 被拉動追趕壓縮層的電子.如果激光光強(qiáng)足夠, 離子層與電子層在光場推動下可保持穩(wěn)定不破碎, 最終作為整體一起被激光脈沖推動加速至接近光速[56-63], 這時可稱之為進(jìn)入了光帆加速階段(light sail regime, LS-RPA), 離子最終能量與激光強(qiáng)度成正比.對比TNSA 機(jī)制, RPA 機(jī)制在光強(qiáng)高于 1 019W/cm2后有較明顯的優(yōu)勢, 定標(biāo)率優(yōu)于TNSA 機(jī)制.實(shí)驗(yàn)和理論表明, 當(dāng)采用圓偏振光時,J×B電子加熱被抑制, 更易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)相加速,加速產(chǎn)生的質(zhì)子能譜將具有準(zhǔn)單能特性[64-66], 這點(diǎn)非常有利于應(yīng)用.

2009 年, Henig 等[67]使用能量為0.7 J, 聚焦光強(qiáng)為 5×1019W/cm2的圓偏振激光入射到5.3 nm金剛石碳薄膜靶上, 并且使用了雙等離子體鏡將激光對比度提高到1013, 這樣的實(shí)驗(yàn)參數(shù)滿足RPA發(fā)生的條件.他們在實(shí)驗(yàn)中觀察到了截止能量為43 MeV 的C6+和10 MeV 的質(zhì)子, 如圖3 所示.碳離子的能譜在高能端呈現(xiàn)出準(zhǔn)單能特性, 符合RPA 加速特征.普遍認(rèn)為, 這個工作第一個在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了RPA 加速機(jī)制.隨后, Kar 等[68]使用能量為200 J, 激光強(qiáng)度為 3×1020W/cm2的皮秒激光, 經(jīng)過等離子體鏡反射大幅提升對比度后, 再入射到100 nm 的銅靶上, 通過RPA 加速機(jī)制首次獲得了準(zhǔn)單能峰能量(7 MeV/u)更高的碳離子.與Henig 等[67]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比, 他們測量到的高能離子通量也提高了一個數(shù)量級.2013 年, Steinke等[69]在實(shí)驗(yàn)中通過RPA 加速機(jī)制獲得了中心能量為2 MeV 的準(zhǔn)單能質(zhì)子, 激光到離子能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了6.5%.他們認(rèn)為, 這一能量轉(zhuǎn)化效率意味著在激光強(qiáng)度為 2×1022W/cm2的條件下, RPA加速機(jī)制可以產(chǎn)生能量為1 GeV 的高能離子束.Kim 等[70]使用聚焦強(qiáng)度為 3.3×1020W/cm2的飛秒激光作用到10 nm 的碳?xì)浒猩? 通過混合RPA加速機(jī)制、TNSA 加速機(jī)制和庫侖爆炸加速機(jī)制,獲得了截止能量為45 MeV 的質(zhì)子束.這一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 超高對比度激光和超薄納米靶相互作用是RPA 加速機(jī)制發(fā)生的前提條件.

圖3 RPA 機(jī)制獲得的質(zhì)子和碳離子能譜[67]Fig.3.Energy spectra of protons and carbon ions accelerated in RPA regime[67].

2015 年, 馬文君利用無序堆積的碳納米管制備出電子密度為幾倍臨界密度、厚度為微米量級的新型泡沫靶材, 其與Bin 等[71]合作者利用英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室的超高對比度500 TW 激光器, 在到靶能量為5 J, 聚焦強(qiáng)度為 2×1020W/cm2時, 觀測到激光穿過靶體后的自聚焦和自相位調(diào)制等效應(yīng)[72],符合顏學(xué)慶等[73]之前理論預(yù)測的臨界密度等離子體透鏡效應(yīng).通過使用碳納米管與納米厚度的自支撐類金剛石薄膜靶組成的雙層納米靶材, 他們在實(shí)驗(yàn)中觀察到20 MeV/u 的碳離子準(zhǔn)單能峰, 顯著高于單層類金剛石納米靶.該結(jié)果表明, 采用等離子體透鏡技術(shù)對激光進(jìn)行波形調(diào)控及自聚焦后, 有助于RPA機(jī)制的實(shí)現(xiàn).

2016 年, Kim 等[74]利用脈寬30 fs 的圓偏振激光轟擊15 nm 聚合材料納米靶, 如圖4(a)的15 nm結(jié)果所示, 在光強(qiáng)為 6.1×1020W/cm2時得到截止能量為93 MeV 的質(zhì)子.在實(shí)驗(yàn)中他們發(fā)現(xiàn)對于厚度相同的納米靶, 質(zhì)子截止能量與到靶光強(qiáng)的平方成正比, 這符合光壓加速特征.不過實(shí)驗(yàn)中沒有觀測到單能的質(zhì)子和碳離子.2018 年, Higginson等[16]在Vulcan 激光器上利用ps 激光, 通過混合RPA-TNSA 機(jī)制, 得到截止能量為94 MeV 的質(zhì)子束, 如圖4(b)紅色實(shí)線.這也是目前RPA 機(jī)制所獲得的質(zhì)子最高能量記錄.

圖4 RPA 機(jī)制所獲得的高能質(zhì)子加速結(jié)果 (a) 飛秒激光加速最高能量與光強(qiáng)的關(guān)系[74]; (b) 皮秒激光質(zhì)子加速能譜[16]Fig.4.Experimental results of laser-driven high-power protons in RPA regime: (a) Maximum proton energy as a function of on-target intensity of the femtosecond laser pulses[74]; (b) energy spectrum of protons employing picosecond laser pulses[16].

從實(shí)驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果判斷, 目前已進(jìn)行的RPA實(shí)驗(yàn)都還沒有進(jìn)入光帆加速階段(LS-RPA).RPA機(jī)制在進(jìn)入光帆加速階段后, 有著極高的能量轉(zhuǎn)化效率, 是理想的離子加速機(jī)制.然而, 理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, LS-RPA 的實(shí)現(xiàn)需要光強(qiáng)足夠高, 焦斑足夠大, 才能壓制電子熱效應(yīng)[75,76].除了光強(qiáng)要求,激光的對比度要足夠高[68,77], 脈沖上升沿足夠陡峭, 才能避免納米靶過早破裂.除此之外, LSRPA 過程內(nèi)在的不穩(wěn)定性也是阻礙其順利進(jìn)行的重要因素[78-81].產(chǎn)生加速不穩(wěn)定性的原因有很多,一是有限焦斑半徑效應(yīng).激光光強(qiáng)在焦點(diǎn)附近的橫向梯度會導(dǎo)致靶的彎曲變形, 激光不再正入射到靶面, 電子的橫向動量大大增加, 破壞了電子片的穩(wěn)定性.二是RPA 中存在類似于流體中的瑞利泰勒不穩(wěn)定性(Rayleigh-Taylor instability, RTI).當(dāng)在有一定密度差的界面施加擾動時, 界面會由于微小擾動產(chǎn)生形變, 出現(xiàn)波紋結(jié)構(gòu).隨著時間推移,電子與離子密度波動不斷發(fā)展, 最終導(dǎo)致等離子體薄層的破裂, 使得RPA 提前終止[82,83].后續(xù)有多人相繼提出了各種穩(wěn)定光壓加速的方案, 這些方案的可行性至今還有待證實(shí).通過RPA 機(jī)制得到能量接近200 MeV 甚至更高的質(zhì)子, 目前看來還需要一定的努力.

2.3 CES 加速機(jī)制

CES 廣泛存在天體環(huán)境中, 例如超新星爆炸時所發(fā)射大量的高能粒子, 便是通過激波加速產(chǎn)生的[84-86].在實(shí)驗(yàn)室中, 激光與等離子體相互作用時, 激光有質(zhì)動力推動等離子體形成密度堆積, 等離子體內(nèi)部會出現(xiàn)密度分層.當(dāng)密度分界面的傳播速度超過離子聲波速度的時候, 就會形成沿著激光方向向前傳播的激波.激波傳播過程中, 位于激波前方的靜止離子會在靜電場中被反彈, 獲得兩倍于激波速度的前向速度, 實(shí)現(xiàn)離子加速[87-89].由于離子聲速與激光光強(qiáng)的1/2 次方成正比, 與等離子體密度的1/2 次方成反比.當(dāng)光強(qiáng)較高, 等離子體密度較低時, 可獲得數(shù)十MeV 甚至更高能的質(zhì)子.CES 加速機(jī)制最大的優(yōu)勢在于, 如果激波能夠以恒定速度穩(wěn)定傳播, 反射離子速度始終保持為激波速度的兩倍, 最終可以獲得能散很低的離子束[90].

圖5 CES 加速實(shí)驗(yàn)[94] (a) 激波加速密度調(diào)制示意圖; (b) 質(zhì)子和碳的準(zhǔn)單能峰分布Fig.5.Experiment of CES acceleration[94]: (a) Experimental setup of collisionless electrostatic shock acceleration after tailoring the density profile of the plasma; (b) quasimonoenergetic protons and carbon ions in the spectra.

實(shí)驗(yàn)上, CES 離子加速研究最早開展于2004 年.Wei 等[91]在Vulcan 激光器, 利用強(qiáng)度為3×1020W/cm2的激光輻照低密度靶時, 在橫向上觀察到截止能量為13.2 MeV 的He 離子.實(shí)驗(yàn)中,激光發(fā)生了明顯的自聚焦成絲, 以及等離子體橫向膨脹, 導(dǎo)致只有在橫向上才能觀察到大量的加速離子, 其單能性也遠(yuǎn)低于期望, 不利于實(shí)際應(yīng)用.2012 年, 美國UCLA 實(shí)驗(yàn)室Haberberger 等[92]使用多個聚焦強(qiáng)度為 6.5×1016W/cm2, 脈寬為3 ps,間隔18 ps的脈沖激光串與氣體靶相互作用, 首次通過無碰撞激波加速獲得了能量為20 MeV, 能散小于1%的單能質(zhì)子束.此外作者通過PIC 模擬發(fā)現(xiàn)激光強(qiáng)度提高到 1 018W/cm2時, 能夠獲得能量高達(dá)170 MeV的單能質(zhì)子束, 這一參數(shù)滿足激光質(zhì)子治療的要求.2017 年, 張輝等[93]在實(shí)驗(yàn)中利用聚焦強(qiáng)度為 6.9×1019W/cm2的圓偏振激光與臨界密度等離子體相互作用, 獲得了能散30%、中心能量為9.3 MeV、通量為3×1012protons/(MeV·sr)的強(qiáng)流質(zhì)子束.他們通過二維PIC 模擬證明, 質(zhì)子能譜分布和能散結(jié)果與CES 加速機(jī)制相符合.

2020 年, Tochitsky 等[94]在實(shí)驗(yàn)中通過CES加速機(jī)制獲得了能量分別在50 和314 MeV 位置處的準(zhǔn)單能質(zhì)子( ΔE/E ＜30% )和碳離子(ΔE/E＜10%).實(shí)驗(yàn)中, 如圖5(a)所示, 他們首先將紫外線激光輻照到厚度為50 μm 的金薄膜靶, 產(chǎn)生X 射線在靶后對1 μm 厚度的碳?xì)浒羞M(jìn)行密度調(diào)制, 隨后主激光作用到碳?xì)浒? 獲得了能散低于30%的離子.靶后為經(jīng)過密度調(diào)制后的碳?xì)浒? 其靶前等離子體密度梯度更陡峭, 有利于激光加熱等離子體和激波的形成, 同時靶后等離子體密度梯度變得更加平緩, 可以降低靶后指數(shù)衰減的鞘層場,提高出射離子的單能性.采用雙脈沖激光對靶等離子體的密度進(jìn)行調(diào)制, 可以提高激波的穩(wěn)定性和離子的單能性.

CES 機(jī)制的特點(diǎn)是離子單能性好, 但能量不高, 單發(fā)離子數(shù)目少, 并且易受到等離子體橫向擴(kuò)散影響, 導(dǎo)致能譜展寬和截止能量都比理論預(yù)期差.He 等[95]在模擬中采用一種用高原子序數(shù)材料制成的微米管對等離子體橫向膨脹進(jìn)行束縛后發(fā)現(xiàn)激波能夠更穩(wěn)定地向前傳播.當(dāng)激光脈寬為1 ps 時, 在有約束條件下, 等離子體膨脹具有很好的密度梯度, 激波維持時間較長, 最終可以得到截止能量高于100 MeV 的準(zhǔn)單能質(zhì)子束.實(shí)驗(yàn)上, 這種微米管和臨界密度靶結(jié)合的復(fù)合靶制備難度很大, 目前尚未有成功的實(shí)驗(yàn)報(bào)道.未來如能提升制靶工藝, 實(shí)現(xiàn)密度梯度控制及橫向抑制等離子體擴(kuò)散, CES 加速也是一種有潛力的加速方法.

除了上面介紹的加速機(jī)制外, 一些其他的加速機(jī)制也有研究和報(bào)道.例如靶破燒蝕加速(BOA)[96,97]、庫侖爆炸加速(CE)[98,99]、“鉆孔”加速(HB)[100]等.基于這幾種加速機(jī)制的實(shí)驗(yàn)工作較少, 還需要多更深入的研究.

3 高能質(zhì)子加速新方案

目前激光離子加速所獲得的最高能量與離子束腫瘤放療的能量要求相差較大, 為了在實(shí)驗(yàn)上獲得更高能量的離子, 近年來研究者們又提出了一些新的加速方案, 下面將分別進(jìn)行介紹.

3.1 增強(qiáng)型TNSA, RPA 加速

在TNSA 機(jī)制下, 離子的能量與超熱電子的溫度及密度直接相關(guān).提高激光到超熱電子的耦合效率是獲得更高能質(zhì)子的有效途徑.2011 年,Zigler 等[101]首次通過0.5 TW 激光作用在水汽凝結(jié)成的無定型納米線靶, 觀察到截止能量為7.5 MeV 的質(zhì)子束, 比相同激光條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果高一個量級.除了在靶前表面引入微納結(jié)構(gòu), 還可以在主脈沖前使用另一束脈沖在靶前表面產(chǎn)生較長尺度的預(yù)等離子體, 增強(qiáng)等離子體對激光的吸收[102].2010 年, Markey 等[103]在實(shí)驗(yàn)中, 在激光總能量不變的條件下, 將激光由單脈沖形式改為雙脈沖, 質(zhì)子截止能量由15 MeV 提高到20 MeV.他們模擬發(fā)現(xiàn), 第一發(fā)脈沖與靶表面作用時導(dǎo)致的等離子體的預(yù)膨脹會提高第二發(fā)脈沖的能量吸收系數(shù).相比于單脈沖, 激光能量到質(zhì)子的轉(zhuǎn)化效率提高到3.3 倍.2018 年, Wang 等[104]發(fā)現(xiàn)可利用預(yù)脈沖激光對納米靶進(jìn)行燒蝕, 主脈沖與所形成的靶前預(yù)等離子體相互作用, 發(fā)生自聚焦成絲, 激光強(qiáng)度得到提高.同時靶后等離子體密度梯度更為陡峭, 靶背鞘層場將得到進(jìn)一步增強(qiáng), 相比單脈沖激光, 質(zhì)子的截止能量提高了1 倍.2020 年, Rahman等[105]的模擬結(jié)果表明, 預(yù)脈沖可以改變靶內(nèi)電子分布, 減少主脈沖激光的反射, 提高激光能量吸收系數(shù).在激光總能量不變的前提下, 雙脈沖激光所產(chǎn)生的熱電子的溫度和數(shù)目都明顯高于單脈沖, 質(zhì)子的截止能量由60 MeV 提高到120 MeV.同時由于預(yù)脈沖的處理, 等離子體內(nèi)部能量較低的質(zhì)子會優(yōu)先得到加速, 雙脈沖質(zhì)子能譜的單能性更好.

雙脈沖與靶相互作用包含了更復(fù)雜的物理過程, 當(dāng)參數(shù)不合適時, 預(yù)脈沖的出現(xiàn)也會對質(zhì)子加速帶來不利影響.2007 年Robinson 等[106]通過數(shù)值計(jì)算研究發(fā)現(xiàn), 采用雙脈沖也可能會降低質(zhì)子截止能量和高能質(zhì)子數(shù)目.Kaluza 等[34]的研究表明,對于厚度為10 μm 的金屬靶, 當(dāng)預(yù)脈沖與主脈沖間隔小于2.5 ns 時, 預(yù)脈沖會在靶背形成等離子體層, 削弱靶背鞘層電場, 降低質(zhì)子截止能量.

2019 年, 馬文君等[107]采用次臨界密度碳納米管泡沫(carbon nanotube foam, CNF)與類金剛石碳納米薄膜靶組成的雙層靶, 利用PW 級飛秒激光, 在實(shí)驗(yàn)中觀察到截止能量為58 MeV 的質(zhì)子和截止能量為48 MeV/u 的碳離子.激光入射到這樣的雙層靶上時, 其ps 級的上升沿首先將碳納米管電離形成高度均勻的次臨界密度等離子體(ne約為0.1nc—1.0nc).加速過程如圖6(a)所示, 主脈沖與次臨界密度等離子體相互作用, 產(chǎn)生大量的向前傳播的超熱電子, 其溫度可達(dá)有質(zhì)動力溫度的2—3 倍.當(dāng)激光穿過第一層靶到達(dá)納米薄膜時, 離子由于輻射壓力從薄膜靶中發(fā)射出來, 然后在超熱電子流所形成的鞘場中獲得加速.雙層靶結(jié)構(gòu)加速方案將超熱電子的產(chǎn)生和離子加速兩個過程分開,并且混合了RPA 機(jī)制和TNSA 機(jī)制.當(dāng)激光作用到薄膜靶時, 主要通過RPA 機(jī)制電離產(chǎn)生大量離子, 并且對離子進(jìn)行初級加速, 而TNSA 機(jī)制在后續(xù)的離子加速中起到主要作用.該實(shí)驗(yàn)打破了飛秒激光驅(qū)動碳離子加速的最高能量紀(jì)錄, 是之前最高紀(jì)錄的2.5 倍[108].模擬結(jié)果表明, 這種雙層靶加速方案離子的截止能量與激光強(qiáng)度的0.6 次方成正比, 其定標(biāo)律略高于TNSA 機(jī)制, 低于RPA 機(jī)制,但更加穩(wěn)定可控, 離子的加速時間得到了延長.這種級聯(lián)加速機(jī)制在現(xiàn)有的激光條件下, 有望產(chǎn)生GeV 量級高能重離子束.

圖6 雙層靶加速實(shí)驗(yàn)[107] (a) 級聯(lián)過程示意圖; (b) 質(zhì)子碳離子能譜分布Fig.6.Experiment laser-driven acceleration using a double-layer target [107]: (a) Schematic drawing of the cascaded acceleration process; (b) protons and carbon ions spectrum for: with CNF (black lines) and without (red lines).

3.2 磁渦旋加速

利用激光等離子體相互作用產(chǎn)生的磁壓來加速離子早在2005 年就被提出.Bulanov[109]通過PIC 模擬發(fā)現(xiàn)超強(qiáng)激光與氣體靶相互作用, 等離子體內(nèi)部形成低密度通道, 在通道末端可以產(chǎn)生強(qiáng)大的靜電分離場對離子進(jìn)行加速和聚焦.作者指出,這種靜電分離場是由通道內(nèi)部的偶極磁場所激發(fā)的.2019 年P(guān)ark 等[110]在模擬中, 利用PW 激光與臨界密度靶相互作用, 能夠獲得截止能量高達(dá)數(shù)百M(fèi)eV 的質(zhì)子束, 并且束流具有高度準(zhǔn)直和消色差的特性.

如圖7 所示, 磁渦旋加速機(jī)制的物理圖像為:超強(qiáng)激光與臨界密度靶相互作用時, 激光有質(zhì)動力將電子推出, 在等離子中沿激光軸傳播形成低密度通道, 低密度通道中間出現(xiàn)很強(qiáng)的電子流和同軸的高密度等離子體壁, 等離子體壁中有沿管壁回流的電子, 形成了振幅達(dá)到105T 的渦旋磁場.當(dāng)渦旋磁場到達(dá)靶背, 會排開靶背表面電子, 使靶背表面帶正電, 同出射的電子流形成強(qiáng)烈的分離電荷場,能夠加速和聚焦離子, 產(chǎn)生準(zhǔn)直的高能質(zhì)子束.

磁渦旋加速機(jī)制的離子能量與激光功率的0.8 次方成正比(Ei∝I0.8), 高于TNSA 加速機(jī)制,理論計(jì)算激光功率在1 PW 時, 可以產(chǎn)生能量達(dá)100 MeV 以上的質(zhì)子, 其束流特點(diǎn)是準(zhǔn)直性好, 消色差, 十分有利于質(zhì)子束的應(yīng)用和束流傳輸.磁渦旋加速機(jī)制被提出后, 目前為止還沒有成功的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被報(bào)道.這是因?yàn)榇艤u旋加速機(jī)制需要等離子體密度和長度同激光功率之間達(dá)到最佳耦合條件,才能產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體通道和渦旋磁場.其次,激光束斑要與等離子體通道半徑滿足一定條件: 束斑過大無法形成明顯的密度通道, 過小會導(dǎo)致等離子體向內(nèi)膨脹堵塞通道.實(shí)驗(yàn)上目前還無法對等離子體和激光參數(shù)進(jìn)行如此精確操控.

圖7 磁渦旋加速機(jī)制[110]Fig.7.Magnetic vortex acceleration regime[110].

3.3 離子波破加速

在CES 加速機(jī)制中, 要求等離子體的密度ne高于相對論性臨界密度, (ne＞γnc～a0nc,γ為電子的洛倫茲因子,a0為激光歸一化強(qiáng)度,a0=eE0/(mecω)).激光前沿被堆積出來的等離子體所反射, 沖擊波前沿速度受限于等離子體中的離子聲速.劉彬等[111,112]從理論和模擬上研究了在相對論自透明的近臨界密度(通常介于1nc—10nc之間)等離子體中發(fā)生的一種獨(dú)特的離子加速機(jī)制.在等離子體密度較低時, 背景離子在高速移動的靜電分離場的作用下集體震蕩.振蕩的幅度以及在振蕩過程中離子獲得的最大速度都隨著靜電分離場的強(qiáng)度增加而增加.當(dāng)?shù)入x子體密度足夠高從而場的強(qiáng)度足夠大, 以至于離子獲得的最大速度達(dá)到靜電場的移動速度時, 離子就會被場“俘獲”從而可以被持續(xù)加速.這個離子俘獲的過程是自調(diào)制的, 離子的運(yùn)動規(guī)律也會伴隨著從流體向非流體轉(zhuǎn)變.理論上, 俘獲發(fā)生之前的離子的集體運(yùn)動可以看作離子波, 而少量離子的俘獲可以看作離子波的波破.因此這個加速機(jī)制被稱作離子波破加速.相比于不透明的高密度等離子體的離子加速機(jī)制, 包括“打洞”加速和沖擊波加速, 離子波破加速的優(yōu)點(diǎn)主要在于其產(chǎn)生的離子能量更高, 缺點(diǎn)在于離子的數(shù)目相對較少.

3.4 靜電電容加速

RPA 機(jī)制中, 電子層與離子層互相耦合導(dǎo)致的不穩(wěn)定性是制約獲得高能質(zhì)子的主要因素之一.Shen 等[113]基于PIC 模擬工作, 提出了一種靜電電容加速機(jī)制(electrostatic capacitance-type acceleration, ECA).模擬中他們通過脈寬數(shù)fs、能量為10 J 的單周期激光作用到厚度為4 nm 的超薄靶, 獲得了能散低于10%, 能量達(dá)到百M(fèi)eV 的準(zhǔn)單能質(zhì)子束.與RPA 機(jī)制不同, ECA 機(jī)制中電子層與離子層并不是作為一個整體的“等離子體飛鏡”被加速.相反, 電子和離子在激光傳播方向上是間隔一定距離的.如圖8(a)所示, 它的加速過程分為兩個階段, 首先激光與納米靶相互作用.由于靶的面密度很低, 會將靶中幾乎全部的電子推動向前加速, 電子不能在短時間內(nèi)擴(kuò)散, 而是形成一個飛行的電子薄片, 作為陰極, 而留下的重離子充當(dāng)電容的陽極, 激光能量轉(zhuǎn)化為靜電勢能, 這等效于電容的充電過程.隨后納米靶的質(zhì)子被兩個電極之間的勻強(qiáng)靜電場加速, 靜電勢能轉(zhuǎn)化為離子動能,電容放電.

作者認(rèn)為, 相比于RPA 機(jī)制, ECA 機(jī)制更加穩(wěn)定可控.在RPA 機(jī)制中, 激光有質(zhì)動力推動著由電子和離子組成的“等離子體飛鏡”向前傳播, 加速過程中需要一直維持“等離子體飛鏡”的穩(wěn)定性,才能獲得準(zhǔn)單能的高能離子束.ECA 機(jī)制由于電荷分離場的形成和離子加速是相互獨(dú)立的, 只需要在激光作用瞬間, 確保電子完全打出, 形成一個均勻的平面電子層, 后續(xù)離子便能穩(wěn)定、持續(xù)得到加速.實(shí)現(xiàn)ECA 機(jī)制的主要困難在于: 一方面微米尺寸大小、納米厚度的無支撐靶的制備和定位較為困難, 另一方面目前的激光技術(shù)還無法產(chǎn)生接近單周期的能量達(dá)到10 J 量級的激光.此外, 這種機(jī)制對激光的對比度要求比RPA 機(jī)制還要高, 激光到離子的能量轉(zhuǎn)化效率不高.

圖8 靜電電容加速機(jī)制[113] (a) 加速原理; (b) 不同脈寬激光的三維PIC 模擬結(jié)果Fig.8.Schematic of the electrostatic capacitance-type acceleration regime[113]: (a) Principle of ions acceleration; (b) three dimensional PIC simulation results for three different pulse durations.

3.5 多光束薄膜靶級聯(lián)加速

單級離子加速方案受限于激光光強(qiáng)、靶材, 一步到位獲得超過100 MeV 的高能質(zhì)子有一定困難.采用讓離子依次通過多個激光產(chǎn)生的加速場來提升最終能量是一種吸引人的思路.2010 年,Pfotenhauer 等[114]提出了一種級聯(lián)加速方案, 如圖9(a)所示, 通過雙束激光兩次打靶實(shí)現(xiàn)多級TNSA 加速.首先第一束激光與第一層靶相互作用, 通過TNSA 機(jī)制產(chǎn)生數(shù)MeV 的質(zhì)子, 當(dāng)質(zhì)子向前傳播到第二層靶時, 第二束激光與第二層靶相互作用, 在靶內(nèi)部建立鞘層電場, 對初級質(zhì)子束施加特征光譜調(diào)制.當(dāng)質(zhì)子到達(dá)第二層靶時候, 只有部分質(zhì)子會受到影響, 靶后的質(zhì)子會進(jìn)一步得到加速, 而靶前的質(zhì)子會被庫侖勢壘減速, 可以改變能譜某一特定能量段的分布, 如圖9(b)所示.通過調(diào)整兩束激光的延遲時間, 可以對輸出能譜進(jìn)行操控, 但在實(shí)驗(yàn)中, 鞘層電場較弱, 對質(zhì)子能量沒有明顯的二次提升.

圖9 多級TNSA 加速方案[114] (a) 實(shí)驗(yàn)示意圖; (b) 質(zhì)子能譜分布Fig.9.Multi-stage TNSA acceleration[114]: (a) Schematics of experimental setup; (b) energy spectra of the proton beams.

后面也有人繼續(xù)研究這種級聯(lián)加速方案.2018 年王文鵬等[115]在實(shí)驗(yàn)中, 利用兩束強(qiáng)度為7.7×1018W/cm2的激光先后以12°, 40°斜入射在4 μm 厚的金屬鋁靶及200 nm 厚的硼碳復(fù)合薄膜靶, 實(shí)現(xiàn)了雙級TNSA 加速.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 質(zhì)子截止能量由7.0 MeV 被提高到14.4 MeV.他們的模擬結(jié)果表明, 在激光歸一化強(qiáng)度a0=25 的條件下, 利用這種方法可以得到截止能量為135 MeV 的質(zhì)子束.

盡管取得了初步的成功, 多光束級聯(lián)加速仍有許多待解決的問題.首先, 多個加速過程的協(xié)調(diào)同步需要對激光和靶進(jìn)行精密的控制, 這無疑增加了方案的復(fù)雜性.其次, 離子數(shù)量在多級加速過程中,不可避免地會有所損失.最終的加速效率可能并不高.這對于很多應(yīng)用來說可能是比較致命的缺陷.最后, 目前激光器的成本與激光總能量成正比, 多光束級聯(lián)加速將激光能量分配到多個光束上, 如不能獲得很大的能量增益, 從成本角度看, 可能還不如單級加速劃算.以上這些問題的解決, 還需要更多的實(shí)踐探索.

3.6 微米管級聯(lián)加速

圖10 微米管級聯(lián)加速[116] (a) 微米管示意圖; (b) 電荷分離場的形成Fig.10.Cascade acceleration with microtubes[116]: (a) Schematic diagram of the scheme; (b) space-charge field irradiated by the CPA laser pulse.

2006 年, Toncian 等[116]利用微米管實(shí)現(xiàn)了一種對質(zhì)子束進(jìn)行聚焦和能量選擇的級聯(lián)加速方案.他們通過皮秒激光脈沖作用在長度為3 mm 的中空金屬筒上, 使得內(nèi)壁產(chǎn)生熱電子并向內(nèi)膨脹, 在管內(nèi)產(chǎn)生了徑向的空間電荷場, 如圖10 所示.當(dāng)來自于另一束激光加速的質(zhì)子束通過管道時, 質(zhì)子束會被聚焦和能量選擇, 最終質(zhì)子單能性和準(zhǔn)直性可獲得極大提升.2017 年, 上海交通大學(xué)Wang 等[117]在模擬中發(fā)現(xiàn), 通過超強(qiáng)激光作用在1.6 μm 的中空金屬管外壁, 除了徑向電場外, 還可以產(chǎn)生TV/m量級的軸向電場.注入質(zhì)子的最高能量由10 MeV提升到17 MeV, 能散由10%降低到4.9%, 并且發(fā)現(xiàn)增大微米管長度, 質(zhì)子的截止能量和準(zhǔn)直性會得到進(jìn)一步提高.

2019 年, He 等[118]提出了一種利用超短強(qiáng)激光脈沖驅(qū)動, 實(shí)現(xiàn)全光學(xué)級聯(lián)離子加速的方案, 各加速階段相互獨(dú)立.如圖11(a)所示, 第一階段通過PW、皮秒激光與第一段微米管作用, 在管內(nèi)形成臨界密度等離子體, 可以產(chǎn)生準(zhǔn)單能, 高度準(zhǔn)直的質(zhì)子束.第二階段, 兩束TW、飛秒激光作用在第二個管狀結(jié)構(gòu)兩翼, 沿著管壁驅(qū)動表面電流, 產(chǎn)生電磁場脈沖對質(zhì)子進(jìn)行級聯(lián)加速.圖11(b)模擬結(jié)果顯示, 初級加速質(zhì)子截止能量為123 MeV, 一次級聯(lián)后能量提高達(dá)到151 MeV, 二次級聯(lián)后提高到181 MeV, 每一級能量增益大概在30 MeV左右, 總的能量轉(zhuǎn)化效率為2.1%.這種級聯(lián)加速方案, 可以產(chǎn)生能譜發(fā)散度很小的離子束.采用激光能量達(dá)到千焦的皮秒激光, 能夠產(chǎn)生高通量的離子束, 部分補(bǔ)償了級聯(lián)加速過程中不可避免的粒子損失, 有利于質(zhì)子束的多次級聯(lián)加速.這個方案的主要問題在于對激光器能量要求太大, 目前的技術(shù)條件下很難推廣.

3.7 微螺線管后加速

Kar 等[119-122]和Bardon 等[123]提出一種利用微型螺旋管的后加速方案, 不需要多束激光即可同時實(shí)現(xiàn)質(zhì)子束的能量選擇、準(zhǔn)直和二次加速.如圖12(a)和圖12(b)所示, 激光與靶相互作用后,電子從靶背表面出射, 形成靶背鞘層電場, 產(chǎn)生沿靶后法線方向傳播的高能質(zhì)子束.同時由于靶中的電子被打出, 靶上積累的正電荷會通過接地導(dǎo)線產(chǎn)生沿螺線管傳播的電流脈沖, 形成的超短超強(qiáng)電磁場能夠?qū)|(zhì)子束進(jìn)行二次加速和聚焦.實(shí)驗(yàn)中使用200 TW 的激光器, 后加速段的加速梯度達(dá)0.5 GV/m, 遠(yuǎn)超傳統(tǒng)加速器所能達(dá)到的加速梯度.

圖11 全光學(xué)離子加速級聯(lián)方案[118] (a) 微米管對質(zhì)子進(jìn)行級聯(lián)加速; (b) 質(zhì)子截止能量演變過程Fig.11.All-optical cascaded ion acceleration scheme[118]: (a) Post-acceleration of protons in microtubes irradiated by femtosecond laser; (b) time evolution of the maximum ion energy.

圖12 螺旋管級聯(lián)加速方案[119] (a) 脈沖電流沿螺線管傳播; (b) 螺線管內(nèi)部電場分布Fig.12.Schematic of the post-acceleration of ions in helical coils[119]: (a) Propagation of electromagnetic pulse along the metallic wire; (b) schematic representation of laser-excited electric field inside the coils.

圖13 螺線管級聯(lián)加速實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果[119] (a) 質(zhì)子能譜分布; (b) 質(zhì)子束三維分布; (c) 兩次級聯(lián)加速模擬結(jié)果Fig.13.Experimental and simulated results of post-acceleration using helical coils[119]: (a) Proton spectrum with and without the helical coils; (b) spatial profile of the ion beams; (c) proton spectra of the input proton source, after the single-stage and after the double-stage post acceleration.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13(a),(b)所示, 經(jīng)過螺線管電場二次加速后, 質(zhì)子的截止能量由7.6 MeV 提升到10.4 MeV, 并且質(zhì)子束得到了良好的聚焦, 靶后35 mm 處, 束流高度準(zhǔn)直, 發(fā)散角小于0.5%.此外他們還模擬了質(zhì)子束經(jīng)過兩次螺線管結(jié)構(gòu)加速后的效果, 如圖13(c)所示, 在PW 激光下, 由薄膜靶發(fā)射的初級質(zhì)子束截止能量為40 MeV, 經(jīng)過一次螺線管結(jié)構(gòu)后, 達(dá)到了70 MeV.兩次級聯(lián)加速后, 達(dá)到100 MeV.可見使用PW 激光器, 利用螺線管級聯(lián)加速方案有望獲得能量為100—200 MeV的高能質(zhì)子束.

4 總結(jié)與展望

從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)超強(qiáng)激光與固體薄膜作用可產(chǎn)生高能質(zhì)子到今天, 已經(jīng)過了20 年左右的時間.在世界范圍內(nèi)廣大科研工作者的共同努力下, 激光驅(qū)動離子加速作為一種全新的離子加速方法, 已逐漸走向成熟.質(zhì)子能量記錄不斷提高, 加速穩(wěn)定性與可靠性穩(wěn)步提升.激光加速一個重要優(yōu)勢是激光到離子的能量轉(zhuǎn)化效率較高, 普遍可達(dá)百分之幾.如采用高平均功率和高電光源轉(zhuǎn)化效率的超短超強(qiáng)激光作為驅(qū)動源, 激光加速有很大潛力成為一種經(jīng)濟(jì)高效的中低能離子產(chǎn)生方法.目前, 采用二極管泵浦的高功率激光器, 已可實(shí)現(xiàn)60%的強(qiáng)電到泵浦光轉(zhuǎn)化效率和超過20%的泵浦光到脈沖光的轉(zhuǎn)化效率.預(yù)計(jì)在不久的將來, 平均功率達(dá)到千瓦量級的拍瓦激光器將會出現(xiàn)[124].利用這種激光器預(yù)期可產(chǎn)生平均功率在十瓦量級的離子束流.

世界各國正將注意力由基礎(chǔ)物理研究轉(zhuǎn)到應(yīng)用.2010 年, 歐洲批準(zhǔn)了首個艾瓦( 1 018W/cm2)激光裝置ELI (extreme light infrastructure), 預(yù)期激光強(qiáng)度可超過 1 024W/cm2.ELI 項(xiàng)目一個非常重要的研究目標(biāo)為產(chǎn)生最高能量達(dá)300 MeV 的質(zhì)子, 并開展腫瘤治療應(yīng)用研究[125].與此同時, 德國政府也在慕尼黑大學(xué)和德累斯頓建立了兩個激光加速研究中心, 各投入7000 萬歐元, 主要目標(biāo)為產(chǎn)生20—100 MeV 的質(zhì)子, 應(yīng)用于癌癥治療、醫(yī)學(xué)成像和質(zhì)子診斷等.韓國政府也批準(zhǔn)了投資過億美元的UQBF(ultrashort quantum beam)計(jì)劃, 其中一個重要方向即為激光質(zhì)子加速及應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和成像.

我國在激光質(zhì)子加速領(lǐng)域同樣成果顯著, 中國科學(xué)院物理研究所、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國工程物理研究院、北京大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位在激光離子加速領(lǐng)域做出了很多具有世界先進(jìn)水平的理論和實(shí)驗(yàn)工作.其中北京大學(xué)激光加速團(tuán)隊(duì)在國家重大儀器專項(xiàng)的支持下, 已建成世界上首臺1%能散的小型激光質(zhì)子加速器(CLAPA)及輻照裝置, 在激光加速到穩(wěn)定可用的激光加速器的過程中邁出了堅(jiān)實(shí)的一步[6,126].未來在國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)“拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范”的支持下, 可以預(yù)期,我國將在激光離子加速及應(yīng)用領(lǐng)域獲得更多更大的突破.