激光在納米管等離子體透鏡中的整形過(guò)程（左）和離子能譜圖（右）

 

       采用激光作為驅(qū)動(dòng)力加速離子，加速梯度可以達(dá)到100GV/m以上，業(yè)界認(rèn)為它將掀起一場(chǎng)新的革命。研究小組在前期的研究中發(fā)現(xiàn)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用時(shí)存在一種激光穩(wěn)相加速機(jī)制 (PRL 100, 135003; PRL 102, 239502; PRL 102, 239502），并在實(shí)驗(yàn)中成功地證實(shí)了穩(wěn)相加速機(jī)制（PRL 103, 245003; PRL 107, 115002）。團(tuán)隊(duì)前期進(jìn)一步提出“激光等離子體透鏡”的設(shè)想，以用于提高激光的對(duì)比度、聚焦光強(qiáng)和脈沖整形（PRL 107, 265002），理論上可以大幅度提高離子的加速效率，對(duì)超強(qiáng)激光物理和應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。他們發(fā)現(xiàn)如果采用雙層復(fù)合靶（微米厚度的臨界密度涂層加納米厚度的固體密度薄膜），就可以大幅度提高離子的加速時(shí)間和有效加速長(zhǎng)度。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在英國(guó)RAL-Germini激光裝置上開(kāi)展了利用納米管泡沫作為臨界密度等離子體透鏡以增強(qiáng)離子加速效率的實(shí)驗(yàn)，國(guó)際上首次證實(shí)碳納米管可以作為臨界密度等離子體透鏡來(lái)對(duì)激光進(jìn)行脈沖整形，從而進(jìn)一步提高離子加速效率。

 

       馬文君博士作為特聘研究員新近加入北京大學(xué)激光加速器研究團(tuán)隊(duì)，他在廣大研究人員都在苦苦尋覓密度僅為固體密度百分之一左右、厚度在微米量級(jí)、微觀尺度高度均勻的臨界密度靶材時(shí)，創(chuàng)造性地提出碳納米管可作為理想的臨界密度等離子體靶材，制備出了密度和厚度都高度貼合實(shí)驗(yàn)要求的的碳納米管泡沫靶材，并和第一作者慕尼黑大學(xué)博士研究生賓建輝一起完成了實(shí)驗(yàn)，北京大學(xué)博士研究生王鴻勇負(fù)責(zé)了前期理論方案和后期的理論模擬計(jì)算。該項(xiàng)研究得到科技部重大科學(xué)問(wèn)題導(dǎo)向性項(xiàng)目（973A），核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心的大力支持。

 

相關(guān)研究背景：

 

       離子在物理學(xué)和生物學(xué)上具有一系列獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如主要能量沉積在射程末端即Bragg峰區(qū)，損傷以DNA雙鏈斷裂為主很難修復(fù)，是當(dāng)今最為有效和精準(zhǔn)的癌癥治療方法。然而以射頻加速器為主體的離子加速設(shè)備體積龐大、造價(jià)昂貴、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用不菲。例如上海復(fù)旦大學(xué)腫瘤醫(yī)院近期以18多億人民幣從Siemens購(gòu)買(mǎi)了一套。采用離子束治療腫瘤可以不用外科手續(xù)，控制離子束的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)腫瘤精準(zhǔn)治療，但是治療費(fèi)用高達(dá)28.7萬(wàn)/人。近期北京大學(xué)在國(guó)家重大儀器開(kāi)發(fā)專項(xiàng)支持下，初步建成一臺(tái)基于激光穩(wěn)相加速新方法的激光加速器，未來(lái)有望建成醫(yī)院用激光加速器腫瘤治療系統(tǒng)。

 

北京大學(xué)激光加速器系統(tǒng)
  

 未來(lái)可用于醫(yī)院現(xiàn)場(chǎng)的激光加速器治療系統(tǒng)