摘要 高能離子束在基礎研究、材料學、生物學及醫學等諸多領域有著重要價值和廣泛應用，其產生方法也受到了越來越多的關注。激光等離子體相互作用能夠產生比常規射頻加速器高三個量級的加速電場，由此可以建造占地小、成本低、峰值流強高的新型加速器。文章介紹了激光離子加速的基本物理概念及實驗進展，并對激光離子加速器的工程設計及應用前景進行了簡介。

01 引言

高能粒子加速器自被發明以來，不僅承擔著研究高能粒子物理、探究宇宙起源的重要使命，也在材料學、生物學、醫學等諸多領域發揮著重要作用。常規射頻加速器的發展受限于材料損傷閾值，在加速梯度無法突破100MV/m的限制下，只有通過增大加速器的尺寸才能獲得更高能量的粒子束，而這也意味著更大的占地面積和更高的工程造價。Tijima與Dawson于1979年提出了基于激光等離子體相互作用的新型加速機制[1]。隨著激光技術的飛速發展，激光等離子體加速在近二三十年時間內取得了巨大進展，其加速梯度高出常規射頻加速器三個量級，意味著加速到相同能量所需的加速距離也相應降低三個量級，這也使得建造緊湊型加速器成為可能。

激光等離子體加速按照加速粒子的種類可以分為電子加速和離子加速。激光電子加速發展較早，研究也更為成熟。2019年，勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)在20 cm的放電毛細管中通過激光激發尾波場成功將電子加速到7.8 GeV[2]。而激光離子加速更具挑戰性，因為離子質量遠大于電子，在現有的激光條件下，離子還不能直接從激光中獲得能量，只能通過電子作為媒介：激光先將能量傳遞給電子，形成靜電分離場，離子在分離場中被加速。激光離子加速的實驗研究始于2000年，經過20多年的努力，質子最高能量也已經達到了近100 MeV[3]。

相比于傳統加速器，激光驅動的離子束具有源尺寸小、脈沖短、亮度高和能譜寬等特點，在等離子體電磁場診斷[4]、核聚變質子快點火[5]、質子照相[6]、癌癥治療[7]和溫稠密物質產生[8]等方面有著廣闊的應用前景。要想真正實現這些應用，激光離子加速還需向“激光離子加速器”邁進。離子能散、穩定性、可靠性、可重復性等問題都需要在實驗中進一步得到解決。對于腫瘤治療等應用，如何進一步提高激光離子束的能量是目前激光離子加速領域亟需解決的關鍵難題。

本文首先簡要闡述了超短超強激光驅動離子加速的物理機制和圖像，并介紹了目前激光離子加速的實驗進展。對于如何實現從“加速”到“加速器”的轉變，文章以首臺1%能散激光離子加速器裝置為例，介紹了激光離子加速器的相關技術和進展。最后對激光離子加速器的發展以及應用前景進行展望。 

02 激光離子加速

2.1 物理機制

激光驅動離子加速是通過激光轟擊靶材來實現的。通常使用的激光是超短超強激光，“超強”體現在其功率密度一般大于1018 W/cm2，相當于將太陽照射到地球的光全部聚焦在一個小小的指甲蓋上。“超短”則是指脈寬通常只有幾十飛秒(10-15 s)到幾個皮秒(10-12 s)。而常用靶材是塑料、金屬和類金剛石等固體材料，其厚度通常只有幾十納米到幾個微米。因此激光離子加速是在微米—飛秒時空尺度將離子加速到接近光速的高能量密度物理過程。

激光離子加速的研究離不開激光技術的飛速發展。自從1960年世界上第一臺紅寶石激光器誕生以來[9]，激光憑借其良好的單色性和方向性而得到了廣泛的應用，人們也致力于不斷提高激光的峰值功率以及總能量。1985年，Mourou等人提出了啁啾脈沖放大技術(CPA)[10]，將激光的光強提高了6個量級，并將激光脈寬壓縮到了飛秒量級。目前的超短超強激光都是基于CPA技術產生的，最強的激光所具有的功率密度已經超過1022 W/cm2 [11]。在實際的應用中，我們希望超強激光的功率可以在很短的時間內從零達到峰值，但是受限于組成高功率激光器的光學元件的參數，仍然有光在主脈沖之前出射，這部分光被稱為預脈沖，而預脈沖與主脈沖功率密度之比稱為激光的對比度。激光的對比度是衡量激光品質的重要參數，預脈沖可能影響離子加速中的物理過程，進而影響離子束的截止能量和品質。

構成靶體的原子是原子核和核外電子在庫侖力的作用下結合成的。在超強電場的作用下，部分核外電子會脫離原子核的束縛而成為自由電子，原子被剝離核外電子后成為帶電離子。這樣的由大量處于非束縛態的帶電粒子(包括離子和電子)組成的多粒子體系被稱為等離子體。當激光的功率密度大于1014 W/cm2時，激光的電場能夠將絕大多數物質瞬間電離為等離子體。驅動離子加速的高功率激光照射到靶表面，強大的電場將靶電離為等離子體，因此離子加速的過程實際上就是激光與等離子體相互作用的過程。

根據實驗中激光和靶參數的不同，激光加速離子的物理過程也隨之發生改變，因此加速機制也不同。目前最常見的兩種加速機制是靶背鞘層加速(target normal sheath acceleration，TNSA)[12，13]和光壓加速(radiation pressure acceleration，RPA)[14，15]。

靶背鞘層加速作為最早被提出，也是最成熟的加速機制，已經被很多實驗結果所證實。TNSA加速機制的模型如圖1所示，其物理圖像為：激光入射到固體靶的前表面產生超熱電子，其中部分高能電子穿過靶體到達靶后，建立一個沿靶背法向的鞘層電場。該靜電場可以直接將靶后表面的原子電離，并對離子進行加速。目前TNSA的理論已相對成熟，實驗操作中也能較好地實現，但是其不足之處在于實驗中得到的離子能譜通常具有指數下降特征，離子能量和單能性等品質都與實際應用有一定差距，且離子截止能量正比于激光光強的二分之一次方，能量轉化效率較低。

人們為了實現更加高效的離子加速，提出了激光驅動超薄靶的光壓加速模型，而激光技術的發展及制靶工藝的不斷提高也使得實驗驗證成為可能。光壓加速發生在飛秒激光與納米靶相互作用的過程中，RPA加速機制的模型如圖2所示，激光的有質動力將電子壓縮并推出，形成電荷分離場并加速離子，被推出的電子和離子形成準電中性的等離子體片作為整體的“等離子體飛鏡”(plasma mirror)完全反射激光并被推動加速。理論預言通過RPA機制加速得到的離子具有較好的單能性，且截止能量正比于激光光強。但是想要得到理論預言的實驗結果，需要激光具有足夠大的焦斑以及足夠高的對比度，這對實驗條件及實驗操作提出了相當高的要求。

為了能夠在現有實驗條件下實現光壓加速，并進一步提高離子束流品質，顏學慶等人[15]通過理論分析和數值模擬計算，發現光壓加速機制中存在一種穩相區域：利用中等強度的圓偏振激光照射納米靶，得到具有下降沿分布的靜電場，能夠對離子同時進行加速和聚束，理論上可以有效降低離子束流能散。圖3為在典型的穩相加速區域中，電場的空間分布及電子和質子的空間密度分布。

穩相光壓加速區域要求激光光強與靶的歸一化面密度相當，即 a(1+η)1/2∼(n0/nc)(D/λL)，
其中a為激光歸一化電場強度，η為激光反射系數，n0為等離子體密度，nc為等離子體臨界密度，D為靶的厚度。此時靶內的電子并未完全被激光光壓推出靶外，而是與靜電力達到平衡，固體靶被分為缺少電子的電子耗盡層以及電子壓縮層兩部分。處于電子壓縮層的離子感受到負梯度的靜電場，距離靶體較遠的離子感受到的靜電場小，而距離靶體較近的離子感受到的靜電場大，離子束在加速的同時在縱向還有聚束的效果，得到的能譜呈現較好的單能性。

2.2 實驗進展

2000年，英國Blackett實驗室E. L. Clark[16]和美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室R. A. Snavely[17]相繼使用激光轟擊固體靶，在實驗中首次觀察到幾十MeV的高能質子束，引發了激光驅動離子束的研究熱潮。

早期實驗探索的重點在于得到較為清晰的加速機制物理圖像。E. L. Clark等人將強度5×1019 W/cm2的激光入射到125 μm的Al靶上，得到了能量大于2 MeV的質子束。同年R. A. Snavely等人使用能量為48 J、功率為1 PW和激光強度為3×1020 W/cm2的激光轟擊100 μm的CH靶，得到截止能量高達58 MeV、能譜呈麥克斯韋分布的質子束。

S. C. Wilks[12]等人，A. J. Mackinnon[18]以及J. Fuchs[19]等人在實驗中進一步驗證了高能粒子主要來源于靶的后表面，靶背鞘層加速機制的物理圖像也得到了普遍認可。

為了進一步提高離子束能量、改善離子束品質，各種通過改變靶的結構、靶的布局，以提高激光能量吸收效率的方案被相繼被提出。目前基于TNSA加速機制得到的質子束的最高截止能量為85 MeV[20]。

光壓加速因為其顯著優于靶背鞘層加速的定標率而得到了廣泛的關注，多個團隊也成功開展了基于光壓加速的離子加速實驗研究。2009年，德國A. Henig等人[21]使用能量0.7 J、功率密度為5×1019 W/cm2，對比度為1011 W/cm2的圓偏振激光正入射到碳靶上，實驗上首次實現了基于RPA的離子加速，得到的質子和C6+的截止能量分別為13 MeV和7 1MeV，且C6+離子具有準單能峰結構。

S. Kar等人[22]于2012年使用功率密度為3×1020 W/cm2的亞皮秒激光照射不同厚度的多組分固體靶，得到峰值能量位于5—10 MeV/u的高亮度準單能質子和碳離子束。S.Steinke等人[23]于2013年使用功率密度為5×1019 W/cm2的圓偏振激光轟擊10 nm聚合材料靶，得到峰值能量2MeV的準單能質子束。馬文君等人[24]于2019年使用功率密度為5.5×1020 W/cm2的線偏振激光照射由臨界密度碳納米管和類金剛石靶組成的雙層靶，經過TNSA和RPA的級聯加速，產生的碳離子束能量高達48 MeV/u，這也是目前為止由激光驅動碳離子束的最高能量。王鵬杰等人[25]于2020年使用功率密度為1022 W/cm2的超短超強激光轟擊超薄的由Au和臨界密度碳納米管組成的雙層靶，得到了能量為1.2 GeV的金離子束。目前基于激光器得到的質子束的最高能量為94 MeV，是2018年Higginson等人[3]將功率密度為3×1020 W/cm2的線偏振光斜入射到超薄塑料靶上得到的，被加速的質子接連感受到基于RPA和TNSA的縱向電場，可以認為是在RPA—TNSA混合加速機制下被加速的。

03 從“加速”到“加速器”

3.1 激光離子加速系統

北京大學緊湊型激光離子加速器(compact laser plasma accelerator，CLAPA)的基本結構如圖4所示。激光離子加速系統主要包括：高功率激光系統、激光品質提升系統、靶室系統、診斷系統和控制系統。高功率激光系統為整個加速器提供高功率激光脈沖；激光品質提升系統能夠提高激光時域對比度并改善激光波前等光束品質；靶室系統利用超短超強激光脈沖產生并加速離子束；診斷系統用于實現對加速中和加速后激光以及束流信息的獲取；控制系統負責保證加速器高效有序運行。

激光離子加速系統200 TW激光系統基于雙啁啾脈沖放大技術，以鈦藍寶石為增益介質，經過光路自準直及監控系統、等離子體鏡系統和自適應光學系統提升激光脈沖的對比度和聚焦性能后，可產生峰值功率200 TW、能量5 J、脈寬25 fs的主脈沖和能量及脈寬連續可調的預脈沖。

激光品質提升系統由光路自準直及監控系統、自適應光學系統(adaptive optics，AO)和等離子體鏡系統等核心系統組成。光路自準直及激光監控主要用來實現激光脈沖從高功率激光系統穩定地傳輸至靶室系統；自適應光學系統通過校正由反射鏡片、透鏡、波片、偏振片等光學元件帶來的波前畸變來進一步提升輸出脈沖功率密度；等離子體鏡系統通過切換減反鏡的低反射率狀態和等離子體的高反射狀態，形成一個對激光脈沖的時域開關，從而提高脈沖對比度。

CLAPA靶室系統主要包括固體靶室、綜合靶室、氣體靶室和團簇靶室。固體靶室、氣體靶室和團簇靶室分別為離子加速實驗、電子加速實驗以及超高對比度超薄靶離子加速實驗提供實驗環境；綜合靶室主要用于基于高能電子束和離子束的其他后續實驗。后續離子傳輸線的離子源主要由固體靶室提供，其內部主要由聚焦系統、靶體系統、焦斑監測系統和真空系統組成。

診斷系統可以探測激光和高能粒子束流的各種信息，其中離子能譜是最常用的離子診斷數據，主要包括各種離子的能量及各能量段離子數目。實驗中常用的探測介質包括CR-39、輻射變色片(RCF)、image plate(IP)板、微通道板(micro channel plate，MCP)和閃爍體等；常用的探測設備包括湯姆孫譜儀、角分辨譜儀和疊層探測器等。

控制系統是加速器不可或缺的部件之一，它是加速器的大腦和神經，對整個加速器能否順利穩定運行起著關鍵的作用?？刂葡到y主要由激光系統、激光品質提升系統、靶室系統、數據存儲及后處理、實驗環境監測等分系統組成，也可以根據不同的應用要求擴展。

為確保加速系統的穩定性，北京大學激光離子加速器運行在恒溫恒濕的潔凈環境內。為了進一步減少震動干擾，主要設備固定在3 m厚的鋼筋混凝土地基之上。加速器運行時，能量為1.8 J，激光強度8×1019 W/cm2，脈寬為30 fs的p偏振激光以30°角斜入射到1.2 μm厚的塑料靶上，基于TNSA加速機制產生高能質子束，質子束經過基于四極磁透鏡和分析磁鐵等高流強離子束流傳輸和分析系統到達實驗終端[26]。在實際應用時，可以通過調節電磁鐵的電流來選擇和調節離子束流的中心能量，調節狹縫的寬度來控制束流的能散。目前北京大學激光離子加速器可以穩定產生并傳輸中心能量可變(小于10 MeV)、小于1%能散，電荷量在幾到幾十皮庫(pC)的高能質子束，這將為激光加速器走向應用奠定重要基礎。

3.2 離子束的應用
3.2.1 激光離子束在磁約束核聚變診斷方面的應用

磁約束核聚變是利用精心設計的磁場空間分布將處于熱核反應狀態的超高溫等離子體約束在有限的體積內，受控制地發生核反應并釋放能量的過程，是當前開發聚變能源最有希望的途徑之一。隨著磁約束核聚變不斷取得重要進展，診斷芯部等離子體的靜電漲落和極向磁場的重要性愈加凸顯。

重離子束探針(heavy ion beam probe，HIBP)是利用重離子與等離子體相互作用引起的二次電離效應對等離子體進行診斷的技術，也是目前測量芯部等離子體的電勢及漲落的唯一方法。如果用激光離子加速器替代傳統的加速器來產生高能離子束，就可以克服傳統加速器具有的占地空間大、建造成本高以及不易維護等困難。激光能夠直接深入到真空室內壁產生一次離子，從而避免使用傳統HIBP中所必需的大口徑窗口。傳統HIBP的探測和分析方法對脈沖短、能散寬、價態多的激光離子束不再適用，于是北京大學物理學院發展了基于激光加速的新型離子束軌道探針(LITP)診斷新方法[28]，目前已在北京大學CLAPA裝置上完成原理驗證實驗。 

3.2.2 慣性核聚變質子快點火

慣性約束是指在高功率物質(如激光、電子束、離子束)的作用下，受慣性約束的核燃料達到點火條件并發生聚變反應釋放大量能量，是實現聚變能源的另一條途徑。傳統的慣性約束核聚變使用多束激光直接或間接(轉化為X射線)均勻輻照靶丸，靶丸表面被燒蝕向外膨脹的同時向內反沖壓縮產生熱斑，對激光輻照的均勻性以及靶體的球對稱性要求極高。為了避開對激光及靶體的嚴苛要求，快點火將壓縮和點火過程分開[29]，有效降低了對均勻性和對稱性的要求。中等強度的長脈沖光將靶內氘氚氣體壓縮到高密度，再使用100 ps激光進一步壓縮并鉆出一個通道，最后使用超短超強激光產生1 MeV的超熱電子并將能量沉積在芯區邊緣的點火熱斑處實現點火。如果使用激光驅動的質子束作為點火驅動源[5]，則可以進一步抑制熱層與高密度主燃料層界面間嚴重的流體力學不穩定性，大幅降低對實驗儀器和實驗環境的要求。  

3.2.3 激光質子束透射生物成像

質子束入射到物體上會發生衰減和散射，對其進行測量可以確定被測物體的物理性質和幾何結構，這種成像方法被稱為質子束透視成像，又稱為質子照相。質子對密度和材料種類較為敏感，可以實現1%的密度區分度和較高的精細結構分辨。激光驅動質子束源尺寸小、發散角大、能譜連續，可以獲得清晰的放大圖像，且放大的倍率可控。具有連續能譜的質子束單發照射樣品就能實現多能段質子照相，通過反演計算就能得到較為準確的密度與結構信息。

3.2.4 激光質子束癌癥治療

質子或重離子在介質中運動時，能量沉積會在射程的末端形成一個尖峰，這個尖峰被稱為布拉格峰。伽馬射線和X射線的能量沉積在皮膚下幾厘米的位置達到峰值，在放射治療腫瘤時不可避免地對正常組織細胞造成極大損傷。而質子和重離子在剛入射到組織時能量沉積率極低，直到射程的末端才會迅速達到峰值，因此可以對腫瘤區域進行精準殺傷而避免誤傷周圍的正常組織。如果由高功率激光器和固體靶組成的激光質子治療裝置產生的質子束能量能夠達到200 MeV，那么在癌癥治療方面就有著重要應用前景。

2018年的諾貝爾生理學或醫學獎被頒發給在癌癥免疫療法方面做出杰出貢獻的美國科學家詹姆斯·艾利森和日本科學家本庶佑。免疫療法有望成為治療已浸潤和已轉移瘤的重要手段。癌細胞在受到超高流強脈沖質子束的輻照后會釋放關鍵信號因子，如果能夠對其進行解析并研究其與免疫系統的相互作用過程機理，有望最終實現對已轉移癌癥患者也具有有效治療效果的基于質子放療的“癌癥疫苗”[30]。

04 總結與展望

激光離子加速器是一個由應用驅動的、具有蓬勃生命力的研究領域，其在高能、材料、醫學和光源等方面有著廣闊的應用前景，在受到強烈關注的同時也在吸引著更多研究人員投身于此。自從在實驗中觀察到激光轟擊固體靶產生的高能質子束，經過20年左右的發展，包括TNSA、RPA在內的多種加速機制被提出并被實驗所驗證。能夠產生200 MeV質子束的激光離子加速器的建成，除了期待制靶工藝的提高以及激光器實現更高功率、更高對比度和更好的穩定性，我們也要深入理解激光與等離子體相互作用的具體過程，提出在現有激光參數和實驗條件下提高離子束能量、改善離子束品質的新方案。