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2017年10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。
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。
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。
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。
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。
纳米自支撑金刚石薄膜沉积系统
