激光在納米管等離子體透鏡中的整形過程（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RAL-Germini激光裝置上開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)問題導(dǎo)向性項(xiàng)目（973A），核物理與核技術(shù)國家重點(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購買了一套。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實(shí)現(xiàn)腫瘤精準(zhǔn)治療，但是治療費(fèi)用高達(dá)28.7萬/人。近期北京大學(xué)在國家重大儀器開發(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)
  

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