受控聚变能源是人类最终解决能源问题的主要选择之一。ITER国际合作计划和国家磁约束核聚变能发展研究专项等极大推动了磁约束核聚变研究。托卡马克是目前磁约束核聚变装置的主要类型。托卡马克中的极向磁场直接反映环向电流、q剖面，是维持托卡马克等离子体平衡的零级物理量之一；径向电场与等离子体约束与输运密切相关，是托卡马克等离子体研究的关键物理参数之一。现有的托卡马克极向磁场、径向电场诊断方法在诊断数据精度、鲁棒性、时空分辨率等方面均远不能满足当前聚变研究需要。发展可以应用于大型托卡马克的关键物理诊断乃至未来聚变研究装置的运行监测技术，对于国内外大型磁约束等离子体装置的物理诊断及未来燃烧等离子体研究都有重要意义。

近年来激光粒子加速技术发展迅速。2017年北京大学在科技部重大仪器专项的支持下建成了世界上首台1%能散激光质子加速器，在国际上首次实现了从激光加速到激光质子加速器的跨越。研究团队肖池阶副教授（长聘）、林晨研究员等人进一步利用开展了激光离子加速技术应用于磁约束聚变等离子体诊断的研究，提出了激光离子束轨道探针（Laser-accelerated Ion-beam Trace Probe, LITP）这一全新的磁场诊断原理，并利用北京大学激光离子加速器CLAPA完成了原理论证实验。LITP基于激光加速器离子束相对脉冲短（皮秒量级）、能散宽、多价态的独有特点，可对托卡马克、球形托卡马克、仿星器等环形磁约束装置的极向磁场、径向电场和电子密度等进行二维高分辨成像探测，对磁约束等离子体物理研究具有重要意义。

2013年以来，激光加速与等离子体研究团队在科技部和基金委的大力支持下完成了LITP理论和数值仿真研究（图1），以及原理样机的研制和测试（图2）。在核工业西南物理研究院的大力支持下，2018年完成了LITP探测器在HL-2A托卡马克上的实验测试。2019年12月，由团队核心成员林晨研究员担任首席科学家的“磁约束聚变物理前沿基础物理研究”项目（2015-2019）通过专家验收，专家组一致认为该项目“极向磁场的激光离子束轨道探针诊断方法探索”课题：（1）验证了LITP诊断托卡马克极向磁场剖面的原理可行性；（2）建立了反演模型、实现了芯部极向磁的实验测量；（3）完成了针对国内大型托卡马克的LITP设计，对激光离子加速技术在磁约束聚变上的应用具有创新性意义。 LITP由此也被专家组一致推荐为项目代表性和原创性成果。

LITP相关研究受到了科技部重大仪器专项（2012YQ030142）、国家磁约束核聚变能发展研究专项（2015GB20001，SQ2017YFE030168）、基金委面上项目（11575014）及北京大学设备部2019年仪器创制与关键技术研发项目的资助。

图1： 激光离子束轨道探针（LITP）系统示意图（左），以及LITP反演托卡马克极向磁场的理论结果。左图中(a)为预设的托卡马克二维极向磁场（Bp）剖面、（b）为LITP二维反演结果；（c）为激光离子束轨道；（d）为二维Bp反演重构的相对误差。

图2：LITP原理样机在极向电流5000A，对应Bp=100Gs@100mm时，120-400KeV质子束在侧向法兰探测窗口的探测信号。其中红色实线为模拟得到的质子束分布。