激光加速器，从探究微观世界到解决前沿问题

本文转自：光明日报

作者：颜学庆

《光明日报》（ 2023年11月23日 16版）

【科普小博士】

提到研究微观世界，人们首先想到的工具就是显微镜，而粒子加速器正是研究微观粒子世界的超级显微镜。人们想要研究的基本粒子（例如原子核）可以类比为一个核桃，如果要看到核桃的内部结构，可以用石头砸开核桃，看清楚其内部结构。我们常见的各种粒子加速器，例如高能对撞机、同步辐射光源和自由电子激光，就是加速带电粒子进行对撞或者进行照射成像，来探测物质微观结构的一种研究工具。

通常，人们采用微波来进行高能粒子加速，由于加速结构存在打火击穿的限制，高能加速器的规模和造价都越来越难以承受，例如西欧核子中心大型强子对撞机（LHC）周长达到27公里，正在预研的下一代高能加速器——环形对撞机（CEPC）周长预计可能接近100公里。2018年10月，法国科学家、飞秒激光发明人热拉尔·穆鲁被授予诺贝尔物理学奖，诺贝尔学院在颁奖报告中特别提到超短超强激光技术在加速器和医学领域的应用。随着超短超强激光技术的发展，激光聚焦光强可以达到1018W/cm2以上，对应的电场高达1012V/m。这样强的激光与等离子体相互作用时，克服了真空击穿问题，产生的加速电场可以比常规加速器至少高出千倍以上，可以更加经济地实现高能粒子加速。例如采用激光加速器可以把3公里长的美国斯坦福大学30GeV直线加速器缩短到足球场大小，激光加速器使得“大物理变小”。同时激光加速器产生的粒子束具有能量高、脉冲短（皮秒量级）、尺寸小（微米）、方向性好以及峰值流强高等特点，未来在肿瘤辐照与免疫放疗、等离子体磁场诊断、短寿命粒子加速、光核物理、质子超声和材料辐照等方面具有非常广泛的应用前景。

先进加速器作为前沿科学中的核心仪器设备，对人类的生存与发展以及国家安全具有重要影响，成为衡量综合国力的一项重要标志。有鉴于此，美日欧等国家竞相开展了激光等离子体加速器前沿研究，目前国际上100TW级别的激光加速实验室已经超过100多个。世界上最大的加速器实验室欧洲核子研究中心（CERN）也将等离子体加速作为未来加速器的重要选项，并将优先开展这方面的研究。目前国际超强激光委员会（ICUIL）与国际未来加速器委员会（ICFA）已经开始就相对论等离子体加速研究开展合作，并将百MeV离子加速、高亮度光源和TeV高能对撞机作为未来发展的三个重要阶段目标。

2019年北京大学重离子物理研究所激光加速团队建议的先进加速器平台——北京激光加速创新中心项目（简称“中心”）入选了怀柔科学城第二批交叉平台，并由北京大学原校长陈佳洱院士担任中心理事长，飞秒激光发明人热拉尔·穆鲁教授担任国际科学顾问。中心将建造短脉冲激光质子加速器和短脉冲宽谱高亮度光源应用装置，打造国际领先的激光加速器创新平台，支撑新一代光源预研，为未来国家重大科技基础设施落地奠定基础，并有望培育新型加速器产业。这一科学中心将基于重频拍瓦飞秒激光装置，建设拍瓦激光粒子加速器，将实现最高能量百兆电子伏以上的质子束产生，并探索激光驱动的高峰值流强粒子束（质子）在医疗领域中的应用，同时针对紧凑型激光粒子放疗系统开展关键技术研究，研发稳定可靠的关键部件，搭建国产拍瓦激光系统，最终实现围绕肿瘤治疗的应用示范目标。该科学中心还将围绕激光驱动高能带电离子束的产生及其在聚变能源、空间辐射模拟、生物辐照和超快粒子束应用等方面开展开拓性研究，促进激光加速器与能源、空间、生物以及材料等学科的交叉融合；也将建设完善的工艺支撑平台，为科学研究提供有力支撑和保障，并形成产学研一体化的前沿阵地。

如今，北京激光加速创新中心的基建、装修工程已全部完工，设备已全部进场，完成了初步安装。这里即将拥有世界上功率最高的1赫兹重频2拍瓦激光装置，它可以产生各种超快粒子束流。作为国际上最先进的激光加速平台之一，激光驱动的超快束流可以应用在多个前沿领域，对于肿瘤免疫治疗、核电池、核钟、能源和超快核物理等研究都将有重要意义和应用价值。

（作者：颜学庆，系北京大学博雅特聘教授）