北京大學物理學院核物理與核技術國家重點實驗室特聘研究員馬文君，德國Jena大學Zepf教授、慕尼黑大學Schreiber教授，以及北京大學顏學慶教授近期在強場激光加速領域取得了重要研究進展，團隊在前期理論【PHYSICS OF PLASMAS 20, 013101 （2013）】的基礎上首次證實碳納米管臨界密度等離子體透鏡的設想，在美國物理評論快報上發表了題為“Ion Acceleration Using Relativistic Pulse Shaping in Near-Critical-Density Plasmas”【PRL 115, 064801 （2015）】的論文，引起了廣泛關注，并得到PRL Editor Suggestion重點推薦和APS專題報道（http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.115.064801）。
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）
采用激光作為驅動力加速離子，加速梯度可以達到100GV/m以上，業界認為它將掀起一場新的革命。研究小組在前期的研究中發現超短超強激光與固體靶相互作用時存在一種激光穩相加速機制 (PRL 100, 135003; PRL 102, 239502; PRL 102, 239502），并在實驗中成功地證實了穩相加速機制（PRL 103, 245003; PRL 107, 115002）。團隊前期進一步提出“激光等離子體透鏡”的設想，以用于提高激光的對比度、聚焦光強和脈沖整形（PRL 107, 265002），理論上可以大幅度提高離子的加速效率，對超強激光物理和應用產生重要影響。他們發現如果采用雙層復合靶（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間和有效加速長度。研究團隊進一步在英國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離子加速效率的實驗，國際上首次證實碳納米管可以作為臨界密度等離子體透鏡來對激光進行脈沖整形，從而進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激光加速器研究團隊，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、微觀尺度高度均勻的臨界密度靶材時，創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驗要求的的碳納米管泡沫靶材，并和第一作者慕尼黑大學博士研究生賓建輝一起完成了實驗，北京大學博士研究生王鴻勇負責了前期理論方案和后期的理論模擬計算。該項研究得到科技部重大科學問題導向性項目（973A），核物理與核技術國家重點實驗室和北京大學應用物理與技術研究中心的大力支持。
相關研究背景：
離子在物理學和生物學上具有一系列獨特的優勢，例如主要能量沉積在射程末端即Bragg峰區，損傷以DNA雙鏈斷裂為主很難修復，是當今最為有效和精準的癌癥治療方法。然而以射頻加速器為主體的離子加速設備體積龐大、造價昂貴、維護和運行費用不菲。例如上海復旦大學腫瘤醫院近期以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，控制離子束的能量來實現腫瘤精準治療，但是治療費用高達28.7萬/人。近期北京大學在國家重大儀器開發專項支持下，初步建成一臺基于激光穩相加速新方法的激光加速器，未來有望建成醫院用激光加速器腫瘤治療系統。
北京大學激光加速器系統
未來可用于醫院現場的激光加速器治療系統
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