北京大学激光加速器实验室

概况

自世界上建造第一台加速器以来,人类对微观物质世界的认识逐步深入,基础物理研究取得了巨大的成就。加速器利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速,是人们对物质深层结构进行研究的重要工具。加速器科学通常涉及到微波、真空、精密加工与制造、自动控制、高性能计算、数据的传输处理、等离子体和激光等众多科技领域,随着这些领域中新技术、新原理的不断涌现,加速器科学也获得了不断的发展。它的研究和发展一方面对诸如生物学、材料科学、固体物理、化学以及地质、考古等其它学科领域有着重要的应用;同时也广泛地应用于核燃料检测和肿瘤治疗等领域。可以看到,加速器科技的发展水平与国民经济和国家的地位与安全紧密相关,通常成为衡量综合国力的一项重要标志。加速器设备一般受到规模大、投资多和运行成本高昂制约,通常只存在于少数几个大型国家实验室。经费、空间和场地的限制和有限的束流时间难以满足肿瘤治疗和高亮度X光源(如四代自由电子激光)等众多的应用需要。

激光加速器的电场梯度比常规射频加速器高三个量级以上,可以让加速器的尺寸缩小千倍,让应用加速器变成“台面大小”,不再“昂贵”、“庞大”,可以落户中小型实验室和研究所。北京大学激光加速器实验室国际上首次提出激光稳相加速新原理和临界密度等离子体透镜新方法,首次开展和证实稳相加速实验,两次打破了飞秒激光驱动碳离子的能量记录,有望推动新型加速器走向应用。实验室将进一步致力于开展激光等离子体相互作用过程中的加速和辐射问题研究,从理论上探索产生TeV~PeV高能粒子的可行性,同时在未来几年内建造新型超小型台面激光粒子加速器和开展癌症治疗、等离子体诊断和离子快点火聚变等应用研究。
北京大学激光加速器实验室隶属于北京大学物理学院重离子物理研究所。实验室于2015年正式开展激光等离子加速的相关研究。结合传统加速器的基础背景,团队很快在理论上取得突破。颜学庆教授团队发现在圆偏振的情况下,当激光聚焦光强和固体面密度满足一定条件时,在激光有质动力作用下形成的静电场不仅可以加速质子,而且还可以对束流进行纵向聚束:即稳相光压加速机制。

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2012 年-2017 年,在科技部重大仪器专项的资助下,北京大学激光加速团队攻克了高对比度与高光强激光技术、自支撑纳米薄膜靶制备技术、超高流强离子束传输技术和激光加速器辐照研究平台等关键技术,最终建成世界上首台小型激光加速器辐照装置。

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北京大学已建成CLAPA激光加速器系统
2019年,科技部进一步支持实验室“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范”项目。本项目充分发挥北京大学及其合作单位在科学研究和人才培养两方面的优势,营造严谨和谐的学术环境。在北京大学众多优势学科以及其他院校单位的学科基础上,进一步整合有丰富仪器研发经验的工程技术专家,培养一批高素质、高层次、多学科交叉的综合研究人才,建立起一支高水平的激光加速器研究和应用队伍,进行重大科学仪器联合攻关。本项目主要人才包括院士 4 名(陈佳洱、贺贤土、杜祥琬、张维岩),杰青 1 名(颜学庆),青年千人(马文君、付恩刚、李博、乔宾),北京肿瘤医院主任医师(吴昊),此外还有工程师 5 名。为项目的顺利完成提供了保障。牵头单位、项目合作单位从事激光加速器和应用的固定人员有 20 多人,研究生和博士生 40 多名。项目将落地怀柔科学城“北京激光加速创新中心”。

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北京激光加速创新中心效果图

北京激光加速创新研究中心选址于北京怀柔科学城基础研究聚合区(怀柔新城11街区)HR00-0011-6040地块,北至北京市轻元素量子材料交叉平台、西至怀柔青年路、南至怀柔永乐大街以北100米处、东至雁栖东七路,与北京市轻元素量子材料交叉平台项目共用同一地块,总建筑面积30000平方米,主要包括激光质子加速应用研究平台与工艺支撑平台,建成后基础设施可支撑未来激光质子放疗系统、激光驱动伽马光源伽马光源以及、激光驱动宽谱相干光源的研发,需配备研发及相关工作人员共计约300人。

发展方向
未来重点发展方向
在国家科技部重大仪器专项的支持下,北京大学正在建成首台激光加速器,未来有望重点开展下述几个方向开展应用研究和相关的产业化探索。
1.激光质子加速器应用研究
1)质子照相
随着激光技术的发展,人们开始使用超短激光驱动的质子源进行照相研究。激光加速产生的MeV质子束束团短[ps(picosencond]、射程长,对小尺度激光等离子体的密度波动不敏感,对电磁场很敏感,而且具有很高的时间分辨能力,所以可以将其作为一种崭新的诊断方法,用来研究激光等离子体内部的瞬态电磁场。由于激光探针和X射线背光成像对等离子体密度和温度很敏感,不能对此电磁场进行直接诊断。此外,激光驱动的质子源具有与激光严格同步的优点使得质子照相在激光等离子体物理中开始得到广泛应用。
目前国际上利用激光质子束对生物样品成像仍处于研究的初期阶段。采用的宽谱质子的最高能量较低,质子能量分层较少。缺乏深入的针对图像的后续分析与处理,因而获得的生物体信息较少。目前研究的成像对象也集中在昆虫等少数生物。针对更大型生物的组织及活体的成像研究还未见报道。目前国际上还未见有采用激光加速单能质子束进行透射成像的报道。
2)聚变等离子体诊断
目前,托卡马克类型磁约束装置虽然被选择建实验堆(ITER),但是一些核心物理问题尚未完全解决,如聚变高温等离子体的能量与粒子约束、各种微观与宏观不稳定性、湍流与输运的研究是实现热核聚变能开发与应用研究的重要方面。其中至关重要的当然是能量约束问题,直接涉及反应堆的规模、造价以及未来的商业竞争性。在能量约束问题中,主要困难是对所谓反常输运的理解。所谓反常输运,指高于经典和新经典(考虑到环形位形)理论预期的输运现象,它涉及等离子体湍流等复杂的物理过程。因此,对等离子体湍流的研究成为当前最重要的托卡马克物理的前沿课题,激光驱动的短脉冲高流强离子束可以发挥重要作用。
3)质子声学成像技术
质子声效应是指物质受到周期性高强度的质子束流照射而产生超声信号的现象。美国哈佛大学的Sulak等人于1979年首次使用超过150MeV的质子束流对水模仿体进行辐照,从实验上证明了由于质子束流导致的瞬时热膨胀可以产生足够强的可被检测到的超声信号。1995年日本筑波大学的研究人员在对一例肝癌患者进行质子束放疗的治疗过程中,用水听器检测到了超声信号,并以此为依据推出了布拉格峰的位置,但是超声信号空间分辨率很低,只有2毫米量级,如果能够提升分辨率由于临床,可以成为独特的治疗检测手段。激光加速产生的离子束由于脉冲长度极短,瞬态功率高,产生的声学信号强度高、时间短,可获得具有亚毫米分辨率的实时体内剂量分布。
4)高剂量率质子束的产生及生物辐照效应的研究
激光加速质子束团具有超短的纵向长度。在激光与靶相互作用点附近,束流脉冲长度仅为皮秒(10^-12s)量级。质子经过束流传输系统远离作用点后因为色散有所展宽,但也在纳秒量级,由于超短的束流长度,激光质子束的瞬时束流强度可达10^2-10^3A,远高于传统加速器。当这样的束流经聚焦后入射到生物体内时,会产生高达10^9Gy的超高辐射剂量率。通过特殊设计束流系统,还可利用激光加速质子束团宽能谱的特性,模拟空间辐射场,研究放疗导致的二次癌症的发生机制。
(5) 激光驱动温稠密态产生
激光驱动质子束相比于传统射频加速器具有两大优势:加速电场梯度高和质子束流密度高。前者的加速梯度比后者高三个数量级以上,因此有望让大型加速器的的尺寸显著降低。与此同时,质子束流密度比传统加速器高十个数级,并且利用特殊的背向弯曲靶结构设计,还可以在进一步提高质子束流密度。如此高束流密度的质子束可以对固体材料进行快速等容加热,使其达到温稠密态(~100eV)。该方案将与传统的纳秒尺度千焦耳级激光对固体材料进行冲击加载产生温稠密物质相比更加灵活,前者可以涵盖更大的参数空间。
(6)空间辐射环境模拟
与人们所在的地面生活环境相比,外太空环境有着很大的不同,除具有近似真空的低压和温度极低外,还存在着一个特殊的复杂空间电离辐射环境。这种复杂的空间辐射环境主要包括:1)地球磁场捕获的高能电子与质子,它形成地球俘获带辐射;2)银河宇宙射线(galactic cosmic rays, GCR)辐射,来自太阳系外的带电粒子,粒子的能量范围从几十MeV 1012MeV,主要有质子(85%)、He离子(14%)和高能重离子组成;3)太阳粒子事件,是很少遇到的在强太阳耀斑期间的高通量带电粒子,主要是质子(90%-95%)和He离子。另外,在低地球轨道有时还会有反照中子和质子,是GCR和地球大气层相互作用而产生的返回到空间的次级带电粒子。复杂的太空环境对航天员的健康危害,是制约人类长期驻留太空和开发利用太空的主要因素。研究太空之旅过程这种综合复杂空间环境下,引起生命体实验模型的生物学效应变化现象与机理,以便全面了解太空旅行对航天员可能造成的生命健康问题并开发出适合我国国情和我国航天员素质的可行性应对策略,是必要和迫切的。其中的高能质子对航天员的危害研究更值得引起重视。激光离子加速器提供的高能质子可以用于开展辐照器官样组织的损伤和防护研究。
2.激光加速器应用于质子放疗
与传统放疗相比,质子放疗至少有四个方面的优势:提高肿瘤照射水平、提高局部控制率、减少并发症,以及加强化疗的效果。所有适合放疗的肿瘤患者都是质子治疗的适应人群。尤其对于早期肿瘤患者,质子治疗的五年生存率达到80%以上。由于儿童对放射线敏感性的高于成人,传统的放射治疗会造成儿童肝脏、肾脏、脊髓、卵巢或睾丸等重要器官的放射性损伤。质子治疗可以通过精确定向定点爆破技术,使重要器官和组织免受损伤,从而解决了儿童患者放射治疗中的难题。对于有重要器官包绕的肿瘤来说,质子治疗也显示了极大的优越性。质子放射治疗在未来20-30年内有可能会成为肿瘤放射治疗的主流手段。目前质子放疗设备主要采用的加速器是传统的射频加速器(包括同步加速器与回旋加速器)。据国际粒子治疗合作组织(PTCOG)的统计数据显示,截至2016726日,全球运营中的质子重离子治疗中心数量为64家,主要分布于美国、欧洲和日本等发达国家及地区;全世界每年有上万人接受质子治疗。
离子束治癌的先驱性研究起源于美国的劳伦斯伯克利实验室(LBNL)1946年,首先由wilson提出将质子束应用于医学。20世纪80年代以来,由于X射线断层照相CT和核磁共振成像MRI等技术在科技先进国家中逐渐普及,质子治癌取得较大发展。1992年,美国Loma-Linda大学启用了医学专用质子装置,开创了质子放疗技术的新纪元,正式宣告质子放疗进入了医学领域,确定其在应用中的地位。1985 年成立了国际性的质子治疗合作组(proton therapy cooperative oncology groupPTCOG),进行世界范围内的质子课题合作研究。根据PTCOG 2017年底的统计,全球的质子治疗中心截止到17年底共有66个正常运行,其中美国有27个,欧洲有16个,日本有13个,俄罗斯有3个,中国有2个,韩国2个,加拿大和南非各有1个,共有174512例肿瘤患者做过粒子治疗,其中质子治疗肿瘤患者 149345例,占总治疗人数的85.58%,碳粒子治疗肿瘤患者21580例,占总治疗人数的12.37%,质子治疗的疗效被广泛认可和充分肯定。
据不完全统计,我国目前各大城市报批的质子治疗中心申请项目有70多项,国家卫计委对其持谨慎态度,很大一部分原因是目前国内商品化的质子治疗系统还没有研制成功,基本所有的设备都需要从国外企业进口,70多个项目一旦批复,相当于会有上百亿美金流向海外,进一步推动海外企业技术升级,巩固他们的产业领先地位。因此,从国家战略层面上,我国目前急需自主研制国产化质子治疗设备。虽然我国质子治疗设备的自主研发工作已在开展中,但目前与国际水平差距仍非常大,短时间内无法撼动国外质子治疗设备的垄断地位。在医疗器械领域,国外厂商利用先发技术优势,通过快速迭代产品、降低成本、提升用户体验等方法压缩国产设备市场份额的例子屡见不鲜。以直线加速器X射线放疗设备为例,我国已发展了40多年,但该类型的产品依然主要依靠进口。10MV高能直线加速器国内产品稳定度很低,几乎没有市场,6MV低能直线加速器也在产品各项性能上与国外同类产品有较大差距,VarianElekta等公司的产品售价2000多万元,却占据90%以上市场,国产设备售价500万元反而没有市场,即国产设备并没有给进口设备带来任何的市场冲击。从这个角度来看,国外已处于绝对领先水平的先进技术设备,国内如果沿相同技术路线追赶,是一个非常漫长的过程,甚至有可能差距越拉越大。
激光加速器有作为新一代质子放疗系统的加速器的可能性。相比于大型的传统质子加速器,激光加速器有望未来在设备需求空间、安装难度、运行和维护成本、辐射防护难度、系统复杂程度等方面有优势。可以预期,基于激光加速器的激光质子放疗系统一旦研制成功,我国将有很大机会占领激光质子放疗设备的产业制高点,在大型医疗设备领域一举改变长期以来国外领跑,国内跟跑的模式,实现弯道超车。因此,尽快开展激光质子治疗系统的研制具有非常重大的产业意义。
3.高亮度伽马光源发展情况
γ射线因为能量高,能与原子核相互作用产生次级粒子/射线,是研究原子核结构、识别不同元素的非常独特的探针。高谱峰值亮度、偏振可控、能量连续可调的准单能γ射线源在原子核与天体物理、核安全、核医学、环境科学、能源科学以及材料科学等领域具有广泛的应用前景。
现有常用X/常射线光源不能产生高亮度的准单能伽马射线,基于高品质相对论电子与激光之间的逆康普顿散射过程是当前产生连续能量可调的单能伽玛射线的唯一方式。国外基于已有的电子储存环或对撞机,已发展了一批能量达100MeV的单能伽马源,如LEGSGRAALROKKLEPSNewSUBARUAIST等。国内也正在建设上海激光电子伽马源(Shanghai Laser Electron Gamma Source-SLEGS),该光源是上海光源光源二期线站拟建设的16条线站之一,其科学目标为通过光核反应开展核天体物理、核结构等领域中的基础物理研究;高能物理研究所近期也拟采用北京正负电子对撞机的直线加速器来产生伽马光源,用于核物理前沿研究。这些光源受限于装置规模及产生伽马射线性能,在应用中受到一定限制。近年来,基于高亮度电子束流和太瓦激光相互作用的紧凑伽马源装置被提出并有重要进展,如美国LLNL实验室提出了T-REX(Thomson-radiated extreme x-ray )项目,并利用其产生的几百keV能量的光子开展了元素锂的核共振荧光验证实验研究。后续提出了MEGA-raymono-energetic gamma rays)项目,研制基于X波段加速管的紧凑便携高亮度准单能γ射线源和发展基于核共振荧光的应用,计划用于国土安全的核物质监管、核废料检测以及基础研究。欧洲于2010年左右提出了ELI-NPExtreme Light Infrastructure—Nuclear Physics)项目,拟用最高能量720MeV的高品质电子束与波长为512nm的激光相互作用,产生0.2-19.5MeV连续能量可调的γ射线脉冲,计划用于核物理和天体物理过程模拟、先进射线成像、放射性同位素生产、正电子产生及应用等领域,该项目现正在实施过程中。清华大学工物系在多年工作积累基础上,正在为西北核技术研究所建设0.1-3MeV的逆康普顿散射单能伽马射线源,同时提出了基于高梯度X波段加速结构的紧凑伽马源方案,用于产生能量在0.2-4MeV连续能量可调的准单能伽马源。
飞秒高功率激光在与物质相互作用过程中,不仅可以产生高能离子和电子,也可以产生高能γ光子。当前光子数目限制着γ光源的应用,如果采用激光驱动的全光伽马光源将提供一种新的宽谱伽马光源产生新方案。模拟显示,采用微型管靶和10PW激光相互作用,理论上伽马光子产额有望达到10^14 /shot量级,未来可能可以成为MeV光子对撞机的新方案。
4.宽带相干光源发展情况
利用超强激光与物质相互作用,可产生的其它能区的次级光子。这些次级辐射具有能带宽(太赫兹极紫外)、亮度高、脉冲时间短等特点。可用于材料表征、超快过程研究、生物成像、高分辨成像等诸多领域。
强激光和固体靶薄膜靶相互作用中,会产生方向性很好的高能MeV量级的超热电子,超热电子的运动会形成巨大的电流(10-100MA、甚至GA)。部分前向运动的电子会从靶背面逃逸到真空中。在电子穿越靶真空界面时,由于介电性质的突变,可以发生渡越辐射。一方面,飞秒激光驱动的超短电子束长度往往在10微米量级甚至更短,小于太赫兹辐射波长,此时各个电子的渡越辐射场可相干叠加,辐射总能量正比于电子数目的平方,即相干渡越辐射。另一方面,强激光固体靶作用产生的超热电子束的电量可以达到纳库(nC)量级甚至更高,这有望产生能量达百微焦、甚至毫焦量级的太赫兹辐射。利用两种超强太赫兹辐射泵浦拟研究的样品,实现高能太赫兹泵浦下的物质非线性过程。具体研究检测方法包括常温和低温条件下的太赫兹光谱探测、单发成像、泵浦探测。更为这重要的是,为了研究样品的超快动力学过程,将研制超快电子衍射设备。这是世界上首次将强激光驱动的太赫兹辐射和超快电子衍射的结合。
极紫外光源覆盖了电磁波谱上大约从100 nm3 nm的波长范围,是研究原子、分子和凝聚态等各种物质体系的结构和超快动力学过程的重要工具。在波长特征上,这个光谱区覆盖了原子的主要共振线和大多数小原子序数和中等原子序数的元素吸收边,这一特点使得利用极紫外X射线光源在对各种材料进行具有元素识别性的探测方面具有非常独特的优势;而且由于波长较短,利用这个波段的辐射进行成像可以获得更高的空间分辨率,观察更小的结构,还可以光刻出更小尺寸的图样。在时间尺度上,短到亚飞秒至阿秒量级的超短脉冲使得实时追踪探测原子核外的电子运动过程成为可能,从而开辟了具有广阔前景的阿秒科学及相关应用领域。利用高强度飞秒脉冲激光与气体分子、固体表面、多层纳米薄膜靶相互作用,可产生相干的高亮度相对论极紫外脉冲列或孤立脉冲。这种脉冲可广泛应用于材料物性研究、超快化学过程探测、超快表界面物理、高分辨率极紫外成像等领域的研究。

研究内容
激光加速器
北京大学核物理与核技术国家重点实验室近期在国家科技部重大仪器专项的支持下,已率先建立了世界上第一个功能完全、稳定运行的1%能散激光质子加速器。现有激光离子加速机制直接产生的质子束通常具有较大的能散,束流能量和流强的稳定性和可靠性可以通过基于电磁铁束流传输系统进一步改进,从而提供日常运行所需要的可靠性、稳定性和重复性。北京大学首次采用了基于电四极透镜和分析磁铁等高流强离子束流传输和分析系统,并开展了3-10MeV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 / 1-30pC电量的质子束(均为国际最好水平)。该系统与201710月第三方现场测试。这表明自激光加速原理提出以来,第一个功能完备的激光离子加速器原型成为了现实,也为未来激光加速器走向应用奠定了坚实的基础。
图片[2]-北京大学激光加速器实验室 - 如意工业网(Rueee.com)-如意工业网(Rueee.com)
北京大学已建成CLAPA激光加速器系统
拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范
本项目将基于重频拍瓦(1015W)激光器的激光质子加速器,研制开发稳定可靠的百MeV的激光质子放疗原理样机,并开展围绕肿瘤治疗的应用示范研究,经过临床测试及医学认证,最终完成满足医院治疗需求的激光质子放疗产品样机,并逐步实现产业化。本项目研发周期将分三阶段完成。
 
图片[5]-北京大学激光加速器实验室 - 如意工业网(Rueee.com)-如意工业网(Rueee.com)
激光质子放疗样机结构示意图
稳相加速机制
该研究发现超短超强激光与固体靶相互作用时存在一种稳相加速机制(Phase Stable Acceleration): 如果激光归一化光强与膜片归一化厚度相当时,激光可以如常规加速器一样对离子进行加速和纵向聚束, 从而可以产生高品质的高能单色离子。这对激光离子加速器走向实际应用将产生重要影响。例如:用一个高功 率的激光器和固体靶组成的激光加速器有可能加速得到200MeV以上的单能质子,它可以直接用于癌症治疗。 采用上述激光加速系统替代现有的常 规离子癌症治疗设备,不仅体积小、造价低,而且维护方便、运行费用低廉,十分有利于离子治癌治疗技术的普及和推广。
 
图片[6]-北京大学激光加速器实验室 - 如意工业网(Rueee.com)-如意工业网(Rueee.com)
稳相加速机制示意图
激光等离子体透镜
北京大学核物理与核技术国家重点实验室激光加速小组博士后林晨与Leemans等人近期在激光加速-强场物理 中取得了重要研究进展,发表了题目为“Laser Shaping of a Relativistic Intense, Short Gaussian Pulse by a Plasma Lens” PRL 107, 265002 (2011)) 的论文。研究中首次提出激光等离子体透镜的概念, 用于提高激光的对比度、聚焦光强和脉冲整形,对强场激光物理的发展将产生重要影响。 理论和加速实验研究表明,激光加速梯度可以达到100GV/m以上(比常规射频加速器高3~6个量级)。然而由于理 论和技术的限制,激光加速离子的有效长度很短,实验中离子能量增益仅仅在几十MeV左右。通过国际合作,我们在多次实 验中成功地证实了稳相加速机制的存在和优点(PRL 103, 245003 (2009); PRL 107, 115002 (2011))。这些实验 虽然证实了该方法可以大幅度提高离子束的能量、束流品质和束流强度。研究表明该方法加速质子到100MeV需要 1021W/cm2以上的聚焦光强,薄膜靶对激光的信燥比也提出了极高的要求(>1010 @10ps),对高功率激光提出了 苛刻的要求。 课题组在最近的研究工作中提出在薄膜靶之前放置 “激光等离子体透镜的新方法,可以对激光脉冲实现很强的 横向聚焦,大幅度提高激光光强,缩短脉冲上升时间和改善脉冲的对比度。这有望提供新的技术途径来提高激光的 对比度或者降低薄膜靶对激光对比度的要求,同时大大提高激光的聚焦光强。
 
图片[7]-北京大学激光加速器实验室 - 如意工业网(Rueee.com)-如意工业网(Rueee.com)
激光等离子体透镜示意图
纳米自支撑金刚石薄膜沉积系统
 
研究小组已经掌握了制备纳米自支撑固体薄膜的关键沉积技术。初步建立了一套纳米碳膜制造系统。 为激光离子加速器离子实验研究奠定了坚实的基础。
 
图片[8]-北京大学激光加速器实验室 - 如意工业网(Rueee.com)-如意工业网(Rueee.com)
纳米自支撑金刚石薄膜沉积系统
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