摘要
作为超强激光与物质作用领域内最前沿技术，激光质子加速器因其能以极低空间、经济成本，以高于传统加速装置千余倍的电场梯度加速质子，在物质研究、医学治疗等领域中引起了众多关注；若想加快激光加速器落地应用，对合适靶材的选择至关重要。近日，由德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）与美国SLAC国家加速器实验室（SLAC）研究人员组成的团队，以冷氢气为靶材 ，通过与拍瓦级激光器的相互作用，成功取得了80 MeV 的质子加速结果；该设计以较强的重复性，为应用型质子加速器的设计提供了全新思路。该工作以Ultra-short pulse laser acceleration of protons to 80 MeV from cryogenic hydrogen jets tailored to near-critical density 为题，于今年7月发表在Nature Communication s 激光质子加速器的理论及性能优势，在长达数十年的研究中已取得较为全面的论证分析，从聚变能、凝聚态物理领域的理论研究，到考古、肿瘤治疗方面的规模性应用，激光质子加速器都展现出极其强大的兼容特性。在最近几年的研究中，研究人员已实现了对加速装置前级驱动激光输出脉冲的定制化设计，这让用户使用超强激光更加得心应手；在光源已满足应用需求的技术背景下，对后端装置，尤其是 驱动靶的设计 ， 成为亟待深入探究的重点 。
图1 超强激光脉冲与不同密度液态氢束流相互作用时产生的质子加速效果 （ 图片来源： HZDR）
超强激光轰击靶材，迫使靶材原子核外电子因吸收大量能量而发生定向移动，而原子核则留在原地不动，此时，原子核中带正电的质子将与带负电荷的质子在极短的作用区间内，形成极强 的 加速电场 ，实现对质子的加速驱动；在质子加速过程中，靶材发挥着不可或缺的作用，当激光与其发生相互作用进而产生等离子体时，等离子体的空间密度分布情况，将在一定程度上影响质子加速的结果 ：具体地，驱动激光的能量会在与其频率一致的临界密度等离子体处被大量吸收，因此，对可控及可重复临界密度等离子体技术的研究，成为该领域内的一个关键问题。
为了能在体密度及表面密度可调介质中完成质子加速的验证性实验，研究人员以高密度冷冻液氢为介质靶材，先通过预脉冲的加热作用使液氢束流膨胀至特定密度 ，再利用拍瓦级激光与其进行相互作用；同时，该工作还利用泵浦探测手段对质子束流进行了时空演变观测（如图2所示）。相较于易损伤的金属箔靶材而言，冷冻液氢更迭替换性更好 ，质子束流输出也更加稳定，进而能够为实用性激光质子加速器的设计提供可靠支持。
图2 激光与冷冻液氦相互作用，产生质子束流及探测装置示意图
图2中，冷冻液氢由一个直径为5 μm的喷嘴中喷出；用于驱动等离子体产生及质子加速的拍瓦级主脉冲中心波长为800 nm，单脉冲能量高达18 J，使其聚焦在液氢束流中，能够获得高达5.4×10 21 W/cm 2 的极高强度；用于预热液氢，使束流直径及密度发生改变的预脉冲则相对较弱，其能够实现10~170 ps的时延控制。在该项实验中，预脉冲与主脉冲之间的时延大小，能够直接决定主脉冲接触液氢束流时的束流密度（如图3所示）， 通过调控预脉冲与主脉冲之间的时延间隔，可以实现对液氢密度的调控，进而探索高能束流的最优产生条件 。经过约350余次的测试，研究人员最终发现，当束流直径被预热膨胀至11 μm时，所产生的质子束流能量相对最高， 在激光传播方向上最大能够获得80 MeV的加速能量 。 图3 对不同液氢束流直径下质子加速情况的表征。(a)对3种不同液氢直径下质子能谱的测量；(b)对不同束流直径下质子最大能量、发散分布以及透光率的研究
此外，通过引入1030 nm及515 nm的双色探测光，该研究团队还对质子经加速后的时空演化模型进行深入探究，如图4(a)~图4(b)所示，测量结果表明等离子体的膨胀具有径向对称的面密度梯度；通过模型仿真，研究人员进一步探究了不同膨胀时间下，等离子体密度的分布规律，如图4(c)所示。结合图3的测试结果，研究人员得到了质子加速机制会在向相对论性透明过渡过程中发生改变的结论 。
图4 对液氢靶膨胀规律的进一步研究。(a)基于双色激光所得到液氢靶膨胀的时空演变；(b)在双色探测激光照射下，液氢直径仿真与实际数值之间的差异；(c)不同膨胀时间所对应等离子体的密度分布仿真曲线
在对此项成果进行宣介时，Karl Zeil博士谈论到：“在这项工作中，我们最高能够将质子加速至80 MeV，该数值已极其接近先前所报道的激光质子加速记录； 但与之前的工作不同，液氢的应用使此加速装置拥有了每秒产生多个质子束的可能性 ”。在高性能计算系统的助力下，对液氢靶材进行驱动加速的过程也变得更加容易，Karl Zeil博士表示：“高性能仿真系统使我们能够更好地理解、优化激光与物质之间的相互作用，同时也能够对激光与冷冻液氢束流之间的精准耦合产生支持”。此外，他也着重强调：“ 这项工作将在肿瘤治疗领域发挥重要的作用 ”。 从原理上讲，质子治疗技术的核心在于利用高能质子束流，对癌变细胞的DNA单链进行轰击，以达到杀伤癌变细胞，防止其继续繁衍分裂的目的。与传统放射性治疗方案相比，质子治疗技术具有多方面的技术优势，能够更彻底、精确地实现对恶性肿瘤的破坏，对患者自身造成的不良影响也相对较少，因此被认为是未来肿瘤放射性治疗的主流技术手段 。 在国际激光质子加速器的研制赛道上，我国科学家们也在不停向前。2020年6月，国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”专项“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范 ”项目启动会在北京大学召开，项目由北京大学颜学庆教授团队主导，拟将用时11年，计划于2030年11月研制出束流稳定可靠的高重频百兆电子伏质子放疗原理机 ，届时其将为质子放疗技术的国产化普及，奠定坚实的基础。根据北京大学激光加速器实验室最新进展，该团队与法国泰雷兹集团（THALES）合作的2 PW激光系统高功率泵浦系统已完成研制，正在准备系统验收；国产激光系统已初步达到输出百TW量级fs光的技术验收要求；后续也将继续加快各模块的协同研制。
https://clapa.pku.edu.cn/info/1063/1533.htm
编辑 | 罗宁
END
如需转载 请直接留言 商务合作请联系 季先生 18018304797（微信手机同号） 扫描
微信矩阵
了解更多精彩
中国激光杂志社
爱光学
光电汇