加速器作為核科學(xué)中的核心儀器設(shè)備，對(duì)人類的生存發(fā)展和國(guó)家的地位與安全具有重要影響，成為衡量綜合國(guó)力的一項(xiàng)重要標(biāo)志。激光等離子體相互作用產(chǎn)生的加速電場(chǎng)可以比常規(guī)加速器至少高出千倍以上，加速器的尺寸可以降低成千上萬(wàn)倍，顯著降低所需要的空間、運(yùn)行和維護(hù)成本。同時(shí)激光加速器產(chǎn)生的離子束具有能量高、脈沖短（皮秒量級(jí)）、尺寸小（微米）、方向性好等特點(diǎn)，具有很高的時(shí)間和空間分辨率。
在國(guó)家重大儀器專項(xiàng)、重大科學(xué)問(wèn)題導(dǎo)向項(xiàng)目（973A）)、XXX專項(xiàng)和協(xié)同創(chuàng)新等項(xiàng)目的支持下，顏學(xué)慶教授、陳佳洱院士領(lǐng)導(dǎo)的北京大學(xué)激光加速器團(tuán)隊(duì)攻克了高對(duì)比度與高光強(qiáng)激光技術(shù)、自支撐納米薄膜靶制備技術(shù)、超高流強(qiáng)離子束傳輸技術(shù)和激光加速器輻照研究平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)，最終建成世界上首臺(tái)超小型激光加速器輻照裝置（如圖1所示），加速參數(shù)指標(biāo)為1～15 MeV質(zhì)子束，總流強(qiáng)106-8個(gè)粒子/發(fā)。2017年激光加速器裝置正式建成出束，并通過(guò)了同行專家的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中利用能譜儀、RCF和CR39，確認(rèn)加速產(chǎn)生了能量1-15 MeV 質(zhì)子束（如圖2所示），在加速穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了5發(fā)連打測(cè)試，顯示質(zhì)子截止能量的穩(wěn)定性好于3%（如圖3所示）。
激光加速直接產(chǎn)生的質(zhì)子束通常具有較大的能散，束流能量和流強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性可以通過(guò)基于電磁鐵束流傳輸系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)，從而提供日常運(yùn)行所需要的可靠性、穩(wěn)定性和重復(fù)性。北京大學(xué)首次采用了基于電四極透鏡和分析磁鐵等高流強(qiáng)離子束流傳輸和分析系統(tǒng)，并開(kāi)展了3-10 MeV能量可調(diào)的高流強(qiáng)、短脈沖質(zhì)子束傳輸測(cè)試，穩(wěn)定地獲得了1%能散/1-10pC電量的質(zhì)子束（均為國(guó)際最好指標(biāo)）。
上述結(jié)果表明，該裝置可以像常規(guī)加速器一樣穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，首次實(shí)現(xiàn)了激光加速到加速加速器的跨越。未來(lái)激光加速器將可以廣泛用于先進(jìn)光源、溫稠密物質(zhì)產(chǎn)生、核醫(yī)學(xué)、空間輻射環(huán)境模擬、慣性約束聚變、國(guó)際熱核聚變堆等領(lǐng)域。
圖1 激光加速器裝置照片
圖2 RCF膠片和CR39的探測(cè)結(jié)果
圖3 五發(fā)激光加速質(zhì)子束能譜的疊加圖
圖4 束線測(cè)試與結(jié)果
圖5 專家現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)收表
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