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激光等离子体质子加速器

2024-10-10 11:36     来源:核物理与核技术国家重点实验室     激光等离子体加速器 粒子加速器 激光加速器 核技术粒子加速器离子加速器
2024年9月27日,北京大学在物理学院思源多功能厅成功举行,北京大学物理学院研究员林晨作了题为“激光等离子体质子加速器与应用探索”的学术报告。本次论坛由北京大学物理学院教授马文君主持。

马文君主持

林晨首先介绍了激光等离子体加速器的工作原理、发展历程及其优势。自1979年Tajima和Dawson提出尾场等离子体波加速原理以来,激光等离子体加速器在技术上取得了显著进展,目前已实现最高能量150MeV的质子加速。激光加速的优势主要为加速梯度高,可达GV/m甚至TV/m,是传统加速器的百万倍量级,为粒子加速器的小型化提供了可行性。

林晨作报告

接着,林晨对激光等离子体加速器的应用进行了广泛的介绍。激光等离子体加速器在多方面都有着巨大的应用潜力,特别是在肿瘤放疗方面,超高剂量率FLASH电离辐射在肿瘤放疗方面可能具有优势;激光加速器免疫放疗可能是肿瘤治疗的新方法。此外,激光加速质子还可以用于材料辐照与损伤、宽能谱质子成像、质子激发X荧光分析(PIXE)技术、磁约束核聚变装置内部的诊断等。

随后,她介绍了北京大学激光等离子体加速器的发展历程和当前进展。在2013~2018年间建设的超小型激光加速器(Compact Laser Plasma Accelerator-CLAPA-I)已成功实现激光驱动质子加速,其峰值流强可以达到kA量级,在多个领域展现出了独特的应用价值。激光加速质子束的控制是当前研究的重点。在2019年,北京大学继续承担了科技部重点研发计划“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范”项目,将基于重频拍瓦(10^15 W)激光器的激光质子加速器(CLAPA-II),研制开发稳定可靠的激光质子放射治疗系统,并开展围绕肿瘤治疗的应用示范研究。位于北京激光加速创新中心的CLAPA-II激光加速器已于今年七月进入实验运转阶段。

质子放疗需要精确控制质子束,基于磁铁的传统束线在匹配激光加速离子束流特性方面具有一定局限性,质子束的精准传输面临诸多挑战;等离子体与束流的相互作用机制提供了束流调控的全新方法。与传统磁铁束线相比,等离子体透镜具有磁场梯度高(kT/m)、聚焦能力强等优势。北京大学首次总结了基于电离毛细管的主动等离子体透镜聚焦和传输质子的束流动力学模型,并进行了实验验证。在束线中使用等离子体透镜,有望实现激光加速器的彻底小型化。

最后,林晨对报告进行了总结,对不同参数匹配情况下带电粒子束流与等离子体相互作用机制的潜在应用进行了展望,指出了未来激光加速器的研究和应用的可能方向。



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