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掀得起科技革命,治得了癌症,北大这台激光加速器有看头!
李明 2018-02-27
导语

“加速距离缩小了成千上万倍,未来将掀起一场全新的科学技术革命。”


编者按:20世纪以来,近半数诺贝尔物理学奖与加速器及其应用相关,加速器已成为物理学不可分割的一部分。近日,北京大学重离子研究所所长颜学庆教授领导的团队建成了世界上首台质子能量可调1%能散的激光加速器。

相比日益庞大的常规加速器,激光加速器的小体积和极高的加速梯度将推动加速器走出实验室,逐步走向空间物理、生物辐照和医疗等前沿应用。或许,这将会为这些行业翻开全新的篇章。

▍学界领先的研究团队

近日,陈佳洱院士、颜学庆教授领导的团队首次提出和实现了稳相光压加速和临界密度等离子体透镜等新方法,最终建成世界上首台质子能量可调(1-15 MeV)1%能散激光加速器与辐照装置。该方法多次创造和打破了碳离子、质子的能量加速世界记录,可实现大梯度、低能散和高效率的离子加速,有望成为新一代的加速方法。

这是自1979年Tajima等人提出激光尾场加速原理以来,首次实现了从激光加速到质子加速器的跨越。

图:北京大学激光加速器与辐照装置(CLAPA)

图:1%能散质子束的电量和焦斑分布

北京大学首次采用了基于电四极透镜和分析磁铁的传输和分析系统,开展了3-10 MeV能量可调的高流强、短脉冲质子束传输测试,稳定地获得了1%能散 / 1-10 pC电量的质子束。

这表明该装置可以像常规加速器一样稳定可靠地运行,并用于温稠密物理、核医学、空间辐射环境模拟、惯性约束聚变、国际热核聚变堆等领域的前沿研究。

激光光压稳相加速原理

当相对论性激光在稀薄等离子体中传播时,等离子体中的自由电子会被推动,类似于小舟泛过水面留下的波纹。随着激光的传播,在激光后方会产生周期性变化的电场,这种准静态电场随着激光一起传播,被称作激光尾场加速。

当超短超强激光与固体靶相互作用时,如果激光的归一化光强强度与靶的面密度相当,则存在一种稳相加速机制,此时激光可以如常规加速器一样对离子进行加速和纵向聚束。在稳相加速过程中,电子被激光推进的前向速度与质子几乎一致,这就极大减小了库仑场对质子束传输过程造成的相空间扩散,有利于获得高质量强流质子束。

这为将来的台面加速器提供了一种可能的方案,对激光离子加速器走向实际应用将产生重要影响——有望让核物理、先进光源等设备进入普通实验室,让以离子加速器为核心的医疗设备进入普通医院。未来激光加速器将有可能“走向寻常百姓家”。

图:提出和实现了光压稳相加速

从加速到加速器

对于一个新生事物,例如从加速理论的提出到真正成为激光加速器,过程往往是坎坷的。

最初,由于北京大学没有高功率飞秒激光器,缺少激光专业人才,也缺少纳米靶材,大家对北京大学激光加速器的未来发展并不看好。

上世纪70年代以来,离子能量记录平均每年仅仅提高不到1 MeV,这是一个非常令人头疼的大问题。

通过阅读大量的文献,颜学庆慢慢地了解到激光加速器的物理瓶颈问题之所在,认为主要是由于不存在相位振荡机制,离子的能散很大,能量转化效率不高,只有0.1%不到。

他试图借鉴常规加速器的知识来解决激光加速离子研究中离子束能散问题和品质问题,并意识到如果采用圆偏振激光与纳米厚度薄膜靶作用的情况下,则可以实现离子的稳相加速。可以类比风驱动帆船一样,实现离子的持续加速,从而把能量转化效率提高两个量级,能量得到大幅提升。

经过努力,团队和马普所的同行一起首次从实验上证实了光压加速的原理,合作实验获得的碳离子能峰能量(30 MeV)和碳离子最大能量(0.5 GeV)曾为激光驱动离子加速的国际记录。

在证实了光压稳相加速方法的确可行之后,北京大学重离子物理研究所上下都下定决心要将第一台“真正”的激光加速器做出来。

2012年,在国家科技部重大仪器专项的支持下,北京大学正式批建激光加速器实验室。2013年之后林晨、朱昆、卢海洋、赵研英和马文君等骨干陆续加入到激光加速团队中来,初步解决了人才、激光器和靶材等问题。

但要真正做成激光加速器还需要满足所谓的RAMI(reliability可靠、availability可用、maintainability可维护、inspectability可观测)条件。这个也是自1979年Tajima和Dawson教授提出激光加速的原理以来,该领域一直在追求的目标。

要做到加速器可靠,从建设、安装和调试就不能出丝毫差错。由于激光的指向稳定性和长距离稳定传输,激光器对细微的抖动十分敏感,往往地铁甚至汽车从外面经过就可能导致实验结果的难以测量。许多同行在建设之初忽略了这个细小的问题,导致最后耽误进度。实验组在意识到这个问题之后,将实验室的地基经过特殊处理,最终将其解决。

尽管近几年激光等离子体加速器取得了长足进步,但也还面临一些问题和挑战。

对电子加速而言,还不能同时满足对电子束能散、电量和发射度的要求。目前离子能量和稳定性还不能满足癌症治疗等应用的要求。解决这些问题和挑战,还需要我们对激光离子加速器进行进一步深入的研究。

癌症患者的曙光

加速距离缩小了成千上万倍,未来将掀起一场全新的科学技术革命。”颜学庆在采访中提到,对激光光压稳相加速器的未来,他充满了信心。

就目前而言,飞秒激光加速器已经能够在小于十厘米的距离内将电子加速到4.25 GeV。这个数字已经高出了我国已有的和在建的电子加速器。在这个尺度上,利用激光光压稳相加速质子已经能够加速到接近100 MeV,已经可以穿透人体接近8公分,可以开展浅层肿瘤治疗研究。未来当激光器功率进一步提高,200-250 MeV的质子刀就可以用于全身的肿瘤诊断和治疗,从而进一步提高肿瘤的治疗精度。

未来激光质子刀癌症治疗模型图

从光压加速理论、原理验证到激光加速器装置建成,近期引起了工业界的关注。这样的激光质子刀装置占地面积小于200平米、成本大约5000万,未来5-10年有望将其推广到其他省市级医院。

但是我们需要清醒地看到,激光加速器还是一个“新生婴儿”,需要宽容的成长环境——它依然存在能散大、重复频率低和可靠性差等问题,目前还难以直接用于高能加速器和强流加速器,例如下一代高能加速器CEPC/ILC等。

在医疗方面,全国目前只有少数几台造价昂贵的质子或重离子癌症治疗装置,而全国每年有上百万癌症患者迫切需要治疗,激光等离子体加速器能够让这种疗法得到普及,造福社会。

我们有理由相信,如果能将“高大上”的高性能加速器真正开展普及,激光等离子体加速器的未来拥有无限可能。

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  • 激光加速器
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作者 李明

博士生

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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