北京大学激光等离子体加速器 传输束线实验进展 朱军高、林晨、朱昆、李成财、耿易星、廖庆、徐筱菡、吴旻剑、张艾霖、 李东彧、寿寅任、王鹏杰、陶立、马文君、卢海洋、赵研英、陈佳洱、颜学庆 北京大学 核物理与核技术国家重点实验室 重离子物理研究所

Outline 一、激光加速离子束特点及应用 二、紧凑激光等离子体加速器（ CLAPA ）离子 束线设计 三、 CLAPA 质子加速实验 四、激光驱动离子束医疗应用与展望

激光离子加速器(质子接近100MeV) 靶后鞘层场加速(TNSA) 辐射压加速 （RPA） 微米靶体, I>1018 W/cm2 Eion ~I0.5 加速场强>TV/m 加速距离~ few microns 靶后鞘层场加速(TNSA) F. Wagner et al 2016 Nova laser However, up to now, the maximum proton energy is less than 60MeV since 2000 at Nova PW laser (500J). Also the spectrum is exponential 辐射压加速 （RPA） 纳米靶体，I>1020W/cm2， CP/LP，Eion ~I I. J. Kim et al 2016 3

激光驱动离子束特点 能散大 ~100% 宽能谱应用 散角大 ~10° 大束斑尺寸应用 初始束斑小，点源 ~5μm 新束流光学特点 能散大 ~100% 宽能谱应用 散角大 ~10° 大束斑尺寸应用 初始束斑小，点源 ~5μm 新束流光学特点 发射度小 ~0.25 πmm.mrad 致密物质高热态研究 脉冲长度短 ~20 ps 时间分辨应用 亮度高 1013质子/束 高剂量应用 峰值电流大，安培量级 高密度空间电荷动力学研究

激光加速应用前景 Z. Najmudin et al. 2016

癌症治疗对离子束的要求 1. 离子具有不同能量（0~最高能量）。（Energy） 2. 剂量平台峰对能谱形状有要求。（Shape） Uli Weber et al. 2000 1. 离子具有不同能量（0~最高能量）。（Energy） 2. 剂量平台峰对能谱形状有要求。（Shape） 3. 一定面积的束斑覆盖肿瘤。（Area） 4. 离子分布均匀性好。（Uniformity） 激光加速产生的离子束不能直接满足应用需要。 要求传输束线既能传输单能束，又能高效率传输大能量 范围离子束，并且实现能谱整形、满足离子束治疗要求。

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首台激光加速与辐照装置 国家重大仪器专项: 超小型激光离子加速器及关键技术研究 （2012YQ030142） 3)Nanotargets in High field science 2)FEL 北京大学提出和证实稳相加速新机制，建成首台激光加速与辐照装置 PRL 100, 135003 PRL 102, 239502 PRL 103, 245003 PRL 107, 115002 PRL 107, 265002 PRL 115 , 064801 PRL 110 , 045002 1)Animal Irradiation Platform Proton Beam Line Laser

束线布局

扇形磁铁能量分析 能散 -2% 0% 2% -1% 1% 狭缝径向开合0 到 ±3.4 cm， 对应选能能散范围±5%

44 MeV ±1 、±4%能散 在收集段三元四极透镜后设计二元四极透镜， 辅助收集高能离子束。 磁场1.5 T的扇形磁铁能够分析的最高能量是44 MeV。 ±1%能散 ±4%能散 Jun-Gao Zhu et al. “Beam Line Design of Compact Laser Plasma Accelerator”, Chin. Phys. Lett. 5, 34 (2017)

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金属靶离子加速实验设置 激光参数 1.8J 30fs 激光能量：1.8J 0.8μm-6μm铝靶 脉冲宽度：30fs 0.2-6um塑料靶 100μm Al foil RCF HD-V2 layer RCF MD-V3 layer RCF EBT-3 layer 激光参数 激光能量：1.8J 脉冲宽度：30fs 聚焦强度：8.3×1019W/cm2 入射角度：30度或45度 激光光斑：4.5μm×5.3μm 上图金属靶实验设置，入射激光为1.8 J，脉冲宽度 30 fs，聚焦强度为， 激光入射角度为30度和45度。实验中使用2种靶体，分别是0.8-6um铝靶和1-5um钛靶；利用2种探测器进行质子束诊断，第一种是汤姆孙谱仪，可以在线诊断离子能谱，第二种是层叠探测器，用于诊断离子能谱和角分布； 0.8μm-6μm铝靶 0.2-6um塑料靶 汤姆孙谱仪 层叠探测器

1.2μm塑料靶加速结果 (最大能量抖动<3%) 15MeV 这是在最佳加速条件下，1.2um塑料靶得到的实验结果，(a-d)图是RCF的实验结果，(e)图是CR39的结果，可以看出，在CR39上有明显的质子信号；说明在实验中已经获得了15MeV质子束； 15MeV Y. X. Geng et al Submitted to APL

国家重大仪器专项完成技术测试 7发叠加结果

激光加速实验质子束传输实验 靶与透镜距离19 cm 收集±50 mrad内质子束 初始横向相图 漂浮5 cm后相图 没有三元透镜时，在距离激光靶1400毫米处，散角±50mrad的质子束束斑约是15000mm2 5 MeV、±1%能散质子束聚焦束斑约3mm2 聚焦后质子面密度增强超过4000倍

激光加速质子束发射度测量 ~0.09mmmrad 请见张艾霖博士poster

三元四极透镜聚焦+谱仪分析 三元四极透镜聚焦 模拟中心能量5 MeV质子束在MCP上成腰 条形狭缝选取/角分辨谱仪+MCP探测 侧视图

三元四极透镜聚焦+谱仪分析 MCP实验结果 四极透镜后，MCP观测到质子电量显著提升。 3.5MeV 7倍 4.5MeV 20倍 无聚焦 设定3MeV聚焦 设定4MeV聚焦 设定5MeV聚焦 四极透镜后，MCP观测到质子电量显著提升。 3.5MeV 7倍 4.5MeV 20倍 5.5MeV 20倍

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癌症治疗 2015年，中国癌症病人新增430万，死亡人数280万。 癌症治疗的最佳方式是离子束放射治疗 基于直径21米的同步加速器，上海市质子重离子医院，占地150亩，投入18亿。 135 2132 2086 Cancers figure among the leading causes of morbidity and mortality worldwide, with approximately 14 million new cases and 8.2 million cancer related deaths in 2012 (1). The number of new cases is expected to rise by about 70% over the next 2 decades. 21

癌症治疗需要扩展布拉格峰 要求能散<5% 高斯 单能 100% 散射特性 传统加速器：笔形束扫描

随能量衰减离子束脉冲能谱实现SOBP整形 调控激光离子能谱， 获得剂量平台峰 不再需要单能质子束！！！ L Tao et al. Phys. Med. Biol. 62 (2017) 5200

展望 医疗应用激光加速器 束线 靶 应用 稳定性 超强激光 能量 品质 稳定性 激光与靶作用的高频率重复性 束线保障能量、电量、剂量、分布的精确 + 束线 + 超强激光 10~20MeV 皮肤美容等 ~70MeV 眼部等浅层肿瘤 ~250MeV 所有肿瘤 + 靶 + 应用 能量 品质 稳定性 扩展的布拉格剂量平台峰

总结 针对激光加速产生的大能散、大散角的强流质子束，设计了四极透镜-扇形磁铁束线，可以高效传输能量1~44 MeV、散角±50 mrad、峰值电流8 A的短脉冲质子束，方便地选择±5%能散内能量范围，得到单能束。 实验证实质子束团经过三元四极透镜聚焦后密度显著提高。 针对激光驱动离子束的特点，通过束线设计，100%能散质子束也能够初步满足癌症治疗的要求。 Jun-Gao Zhu, Kun Zhu, Li Tao et al., “Beam Line Design of Compact Laser Plasma Accelerator”, Chin. Phys. Lett. 5, 34 (2017) Jun-Gao Zhu, Kun Zhu, Li Tao et al., “Distribution uniformity of laser-accelerated proton beams”. Chinese Physics C. (2017). Tao, Li, Kun Zhu, Jungao Zhu et al. "An analytical reconstruction model of the spread-out Bragg peak using the laser-accelerated proton beams." Physics in Medicine and Biology. 62, 5200–5212. (2017).

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