双级螺线管质子加速：实现微型高效的加速

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微螺线管质子级联加速

相对论强度的超强激光驱动的质子加速相比于传统加速器具有独特的优点，如峰值流强高、尺寸小等，对材料科学、核聚变及辐射放疗等领域具有十分重要的应用价值。而目前激光驱动的质子束，其能量和束流品质距离医学应用存在一定的差距。

有研究者提出，可利用激光质子加速与直线加速器相结合，来进一步提升质子能量和减小发散度，但这种方法无法发挥激光加速的紧凑性。2016年，英国贝尔法斯特女王大学（Queen's University Belfast）Satyabrata Kar在实验中采用直径不到1 mm的单级螺线管靶进行级联加速。由于激光驱动质子加速的同时也会驱动电磁波，在螺线管中形成类似于传统加速器中慢波结构场，质子可以在慢波场中继续被加速和聚焦。该方案引起了广泛关注，但从目前所报导的实验结果来看，此类方案存在加速距离较短，能量增益普遍较低的问题，还无法满足医学应用需求。其中的研究难点在于：如何确保质子在螺线管中被持续稳定地后加速。

螺线管电流色散控制和同步加速

图1 （a）双级螺线管加速结构图；（b）PW激光下质子能量增益

北京大学的马文君团队通过数值模拟研究，首次阐述了在螺线管中由电流色散效应引起的电场失配是限制质子同步加速的主要因素，并基于研究结果提出：如果在两段螺线管之间引入一段低色散的漂移段，可以补偿掉质子与电场的失配，实现长距离的同步加速。如图1所示，激光驱动的质子在螺线管穿行过程中被慢波电磁场加速，通过双级结构对因色散逐渐失配的电磁场进行调整，实现更稳定持续的加速，从而获得更高能的质子束，其质子的能量增益是单级螺线管方案的4倍。模拟结果表明，在功率为1 PW的超短激光条件下，可获得40 MeV的能量增益，截止能量超过100 MeV，可为粒子物理学、辐射治疗和材料科学等领域带来广泛的应用前景。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第4期的文章(Zhipeng Liu, Zhusong Mei, Defeng Kong, et al. Synchronous post-acceleration of laser-driven protons in helical coil targets by controlling the current dispersion[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(4): 04000e51)。

螺线管是一种典型的电感结构，激光驱动的电磁波脉宽短约数ps，频谱宽约GHz-THz，极易受到螺线管电感影响而发生色散效应，即信号频率不同，相速度不同。电磁波在螺线管中的传播是不稳定的，质子后加速往往会提前终止。如图2（b），其轴向加速场在时空分布是不连续的，在经过电流色散后，电磁波的加速场会落后于质子束团（红色小球），随后质子发生减速，有效加速距离只有几毫米（图2（d））。模拟结果表明，在PW激光下，单级螺线管的能量增益最高仅有10 MeV，这与所报导的实验结果比较接近。研究表明，质子束与电场相位的匹配对于后加速增益至关重要，如果实验中电流色散无法得到控制，加速效率将会很低。

图2 （a）单级结构和双级结构；（b）单级结构轴向电场；（c）双级结构轴向电场；（d）单级结构（上）和双级结构（下）中的电场和质子束团分布

非同步加速体现在电场相位经过色散后发生畸变，加速相位落后于质子束团。将两段螺线管通过漂移段连接，电磁波在漂移段的传播远快于质子束，从而可以调控电磁波的加速相位。图2(c)(d)中，经过漂移段后，电场分布形状不会明显改变，但位置更加向前。质子穿过漂移段后再次与加速相位匹配，最终截止能量达到100 MeV，其能量增益是单级方案的4倍。这种结构简洁而新颖，具备较强的实验可行性和较大的推广价值。

马文君教授指出：“在靶后使用螺线管结构来延长加速距离，不但可以增加离子的能量，也能够对束流进行准直，非常有利于束流的收集和传输。这项研究阐明了制约螺线管后加速中的关键物理问题，并提出了很有借鉴意义的解决方案。基于这种方案，可以获得能量在百MeV以上的高能准直质子束，应用于肿瘤治疗当中。”

总结和展望

本文分析了激光驱动螺线管级联加速中存在的电场失配问题，并提出双级螺线管方案，来调节螺线管电流色散，实现稳定持续后加速，能够有效提高质子能量。研究团队下一步将继续研究能量增益和束流聚焦的多维度参数优化以及PW激光实验，以进行该研究方案的原理性验证。

 作者介绍 

刘志鹏，北京大学物理学院重离子所博士生，导师为马文君教授。主要从事激光离子加速及其应用研究。

马文君，博雅特聘教授，国家杰出青年基金获得者、博士生导师，现任北京大学重离子所副所长，北京激光加速创新中心副主任。主要研究领域为激光等离子物理与激光驱动的粒子加速器。在基于先进靶材的激光加速物理，激光驱动的高能粒子与辐射源等领域做出了众多原创性工作，承担国家重点研发计划重点专项等重大课题。

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编辑 | 周琦雅

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