等离子体准直实现高重复频率稳定激光加速高通量质子束

研究人员针对激光等离子体加速质子束存在的高发散度(≥100 mrad)难题，创新性地采用快速更新的常温液态水膜靶材，结合低密度蒸气中的磁自准直效应，实现了5Hz重复频率下1°超低发散度(≤20 mrad)的6MeV质子束加速，质子通量较固体靶提升百倍，为FLASH放疗(>40 Gy·s-1)和材料科学应用提供了稳定高效的粒子源。

　　

在粒子加速器领域，传统射频加速器虽然能产生高能质子束，但其庞大的体积和昂贵的造价限制了广泛应用。激光等离子体加速技术(TNSA)因其超高的加速梯度(TV·m^-1)和紧凑结构被视为革命性替代方案，但长期以来受限于质子束的高发散度(≥100 mrad)和低重复频率(<1Hz)两大瓶颈。这种高发散特性导致束流传输效率低下，严重阻碍了在FLASH放疗(超高剂量率放射治疗)和材料改性等领域的实际应用。

英国中央激光设施(Central Laser Facility)的M.J.V.Streeter团队在《Nature Communications》发表突破性研究，通过创新性地采用微米级水膜靶材(600±100 nm)和蒸气等离子体准直技术，首次实现了5Hz高重复频率下仅1°发散度的6MeV质子束稳定输出。该成果解决了激光加速质子束难以捕获传输的核心难题，使单脉冲剂量提升至55Gy(较传统Kapton靶提高110倍)，为发展桌面型质子治疗装置奠定了关键技术基础。

研究团队主要采用三大关键技术：(1)kHz刷新率的微流体水膜靶系统(厚度0.2-5μm)实现高重复率相互作用；(2)多角度质子束剖面诊断系统(ZnS闪烁体+TOF飞行时间谱仪)同步测量空间-能量分布；(3)基于OSIRIS程序的粒子模拟揭示蒸气电离诱导的磁自聚焦机制(Weibel不稳定性)。

生成低发散质子束

通过对比12.7μm Kapton胶带靶，水膜靶将质子束发散度从>100 mrad降至(12×20)mrad²，同时峰值剂量从0.5Gy跃升至55Gy。TOF谱仪显示1-4MeV能区质子通量提升两个数量级(达10¹¹ protons·MeV^-1·sr^-1)，且95%能量分位数达4.4MeV。

稳定高质量质子束加速

连续300发实验显示束流参数稳定性惊人：发散度(24±2)mrad×(40±3)mrad，指向抖动≤5 mrad，剂量波动仅±5Gy(平均41Gy)。这种稳定性源于激光强度与质子产额的线性关联(E_p∝E_L^1/2)，且对离焦距离(z_T=±22μm)不敏感。

质子能量与激光参数的标度律

扫描显示电子温度T_e≈0.7MeV时质子能量最优，且总束流能量与激光能量呈线性增长，预示该技术可扩展至更高能段(40-90MeV)。

质子聚焦机制的数值模拟

OSIRIS模拟揭示：质子束在6×10¹⁷ cm^-3水蒸气中传播时，通过碰撞电离产生冷电子(T_e~100eV)，激发方位角磁场(B_θ≈10⁴T)形成自聚焦效应。这种离子Weibel不稳定性在10mm传播距离内将发散角压缩60%，而真空中传播的束流则持续扩散。

该研究通过创新靶材设计和等离子体物理调控，首次实现高重复频率、低发散度、高稳定性的激光质子加速，其核心突破在于：①发现蒸气电离诱导的磁自准直效应，将传统TNSA发散度降低10倍；②开发kHz兼容的液态靶系统，解决固体靶 debris污染难题；③证实质子能量与激光强度的平方根标度律在5Hz条件下依然成立。这些进展使得单次照射即可达到FLASH放疗阈值(>40Gy·s^-1)，为发展紧凑型质子治疗系统和材料辐照装置提供了全新解决方案。未来通过优化蒸气密度梯度和采用更高能激光器，有望将质子能量提升至治疗所需范围(70-250MeV)，彻底改变现有粒子加速器技术格局。