相比日益龐大的常規(guī)加速器,，激光加速器的小體積和極高的加速梯度將推動加速器走出實(shí)驗(yàn)室,，逐步走向空間物理、生物輻照和醫(yī)療等前沿應(yīng)用,?；蛟S，這將會為這些行業(yè)翻開全新的篇章,。

近日,，陳佳洱院士、顏學(xué)慶教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首次提出和實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)相光壓加速和臨界密度等離子體透鏡等新方法,，最終建成世界上首臺質(zhì)子能量可調(diào)（1-15 MeV）1%能散激光加速器與輻照裝置,。該方法多次創(chuàng)造和打破了碳離子、質(zhì)子的能量加速世界記錄,，可實(shí)現(xiàn)大梯度,、低能散和高效率的離子加速,，有望成為新一代的加速方法,。

這是自1979年Tajima等人提出激光尾場加速原理以來，首次實(shí)現(xiàn)了從激光加速到質(zhì)子加速器的跨越,。

北京大學(xué)激光加速器與輻照裝置(CLAPA)

1%能散質(zhì)子束的電量和焦斑分布

北京大學(xué)首次采用了基于電四極透鏡和分析磁鐵的傳輸和分析系統(tǒng),，開展了3-10 MeV能量可調(diào)的高流強(qiáng)、短脈沖質(zhì)子束傳輸測試,，穩(wěn)定地獲得了1%能散 / 1-10 pC電量的質(zhì)子束,。

這表明該裝置可以像常規(guī)加速器一樣穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，并用于溫稠密物理、核醫(yī)學(xué),、空間輻射環(huán)境模擬,、慣性約束聚變、國際熱核聚變堆等領(lǐng)域的前沿研究,。

當(dāng)相對論性激光在稀薄等離子體中傳播時,，等離子體中的自由電子會被推動，類似于小舟泛過水面留下的波紋,。隨著激光的傳播,，在激光后方會產(chǎn)生周期性變化的電場，這種準(zhǔn)靜態(tài)電場隨著激光一起傳播,，被稱作激光尾場加速,。

當(dāng)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用時，如果激光的歸一化光強(qiáng)強(qiáng)度與靶的面密度相當(dāng),，則存在一種穩(wěn)相加速機(jī)制,，此時激光可以如常規(guī)加速器一樣對離子進(jìn)行加速和縱向聚束。在穩(wěn)相加速過程中,，電子被激光推進(jìn)的前向速度與質(zhì)子幾乎一致,，這就極大減小了庫侖場對質(zhì)子束傳輸過程造成的相空間擴(kuò)散，有利于獲得高質(zhì)量強(qiáng)流質(zhì)子束,。

這為將來的臺面加速器提供了一種可能的方案,，對激光離子加速器走向?qū)嶋H應(yīng)用將產(chǎn)生重要影響——有望讓核物理、先進(jìn)光源等設(shè)備進(jìn)入普通實(shí)驗(yàn)室,，讓以離子加速器為核心的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)入普通醫(yī)院,。未來激光加速器將有可能“走向?qū)こ０傩占摇薄?/span>

 提出和實(shí)現(xiàn)了光壓穩(wěn)相加速

對于一個新生事物，例如從加速理論的提出到真正成為激光加速器,，過程往往是坎坷的,。

最初，由于北京大學(xué)沒有高功率飛秒激光器,，缺少激光專業(yè)人才,，也缺少納米靶材，大家對北京大學(xué)激光加速器的未來發(fā)展并不看好,。

上世紀(jì)70年代以來,，離子能量記錄平均每年僅僅提高不到1 MeV，這是一個非常令人頭疼的大問題,。

通過閱讀大量的文獻(xiàn),，顏學(xué)慶慢慢地了解到激光加速器的物理瓶頸問題之所在，認(rèn)為主要是由于不存在相位振蕩機(jī)制,，離子的能散很大,，能量轉(zhuǎn)化效率不高,，只有0.1%不到。

他試圖借鑒常規(guī)加速器的知識來解決激光加速離子研究中離子束能散問題和品質(zhì)問題,，并意識到如果采用圓偏振激光與納米厚度薄膜靶作用的情況下,，則可以實(shí)現(xiàn)離子的穩(wěn)相加速?？梢灶惐蕊L(fēng)驅(qū)動帆船一樣,，實(shí)現(xiàn)離子的持續(xù)加速，從而把能量轉(zhuǎn)化效率提高兩個量級,，能量得到大幅提升,。

經(jīng)過努力，團(tuán)隊(duì)和馬普所的同行一起首次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了光壓加速的原理,，合作實(shí)驗(yàn)獲得的碳離子能峰能量（30 MeV）和碳離子最大能量（0.5 GeV）曾為激光驅(qū)動離子加速的國際記錄,。

在證實(shí)了光壓穩(wěn)相加速方法的確可行之后，北京大學(xué)重離子物理研究所上下都下定決心要將第一臺“真正”的激光加速器做出來,。

2012年,，在國家科技部重大儀器專項(xiàng)的支持下，北京大學(xué)正式批建激光加速器實(shí)驗(yàn)室,。2013年之后林晨,、朱昆、盧海洋,、趙研英和馬文君等骨干陸續(xù)加入到激光加速團(tuán)隊(duì)中來,，初步解決了人才、激光器和靶材等問題,。

但要真正做成激光加速器還需要滿足所謂的RAMI（reliability可靠,、availability可用、maintainability可維護(hù),、inspectability可觀測）條件,。這個也是自1979年Tajima和Dawson教授提出激光加速的原理以來，該領(lǐng)域一直在追求的目標(biāo),。

要做到加速器可靠,，從建設(shè)、安裝和調(diào)試就不能出絲毫差錯,。由于激光的指向穩(wěn)定性和長距離穩(wěn)定傳輸,，激光器對細(xì)微的抖動十分敏感，往往地鐵甚至汽車從外面經(jīng)過就可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的難以測量,。許多同行在建設(shè)之初忽略了這個細(xì)小的問題,，導(dǎo)致最后耽誤進(jìn)度。實(shí)驗(yàn)組在意識到這個問題之后,，將實(shí)驗(yàn)室的地基經(jīng)過特殊處理,，最終將其解決。

盡管近幾年激光等離子體加速器取得了長足進(jìn)步,，但也還面臨一些問題和挑戰(zhàn),。

對電子加速而言，還不能同時滿足對電子束能散,、電量和發(fā)射度的要求,。目前離子能量和穩(wěn)定性還不能滿足癌癥治療等應(yīng)用的要求。解決這些問題和挑戰(zhàn),，還需要我們對激光離子加速器進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究,。

“加速距離縮小了成千上萬倍，未來將掀起一場全新的科學(xué)技術(shù)革命,?！?/span>顏學(xué)慶在采訪中提到，對激光光壓穩(wěn)相加速器的未來,，他充滿了信心,。

就目前而言，飛秒激光加速器已經(jīng)能夠在小于十厘米的距離內(nèi)將電子加速到4.25 GeV,。這個數(shù)字已經(jīng)高出了我國已有的和在建的電子加速器,。在這個尺度上，利用激光光壓穩(wěn)相加速質(zhì)子已經(jīng)能夠加速到接近100 MeV,，已經(jīng)可以穿透人體接近8公分,，可以開展淺層腫瘤治療研究。未來當(dāng)激光器功率進(jìn)一步提高,，200-250 MeV的質(zhì)子刀就可以用于全身的腫瘤診斷和治療,，從而進(jìn)一步提高腫瘤的治療精度。

未來激光質(zhì)子刀癌癥治療模型圖

從光壓加速理論,、原理驗(yàn)證到激光加速器裝置建成,，近期引起了工業(yè)界的關(guān)注。這樣的激光質(zhì)子刀裝置占地面積小于200平米,、成本大約5000萬,，未來5-10年有望將其推廣到其他省市級醫(yī)院。

但是我們需要清醒地看到,，激光加速器還是一個“新生嬰兒”,，需要寬容的成長環(huán)境——它依然存在能散大、重復(fù)頻率低和可靠性差等問題,，目前還難以直接用于高能加速器和強(qiáng)流加速器,，例如下一代高能加速器CEPC/ILC等。

在醫(yī)療方面,，全國目前只有少數(shù)幾臺造價昂貴的質(zhì)子或重離子癌癥治療裝置,，而全國每年有上百萬癌癥患者迫切需要治療,，激光等離子體加速器能夠讓這種療法得到普及，造福社會,。

我們有理由相信,，如果能將“高大上”的高性能加速器真正開展普及，激光等離子體加速器的未來擁有無限可能,。

文字：姚銘星

編輯：Sure、譚詩穎

責(zé)編：園中葵

圖片提供：重離子物理所

排版：Calley