激光加速离子束特点及应用二
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靶与透镜距离19 cm 收集±50 mrad内质子束
初始横 向相图
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
漂浮5 cm 后相图
激光加速质子束发射度测量
~0.09mmmrad
PRL 100, 135003
PRL 102, 239502
PRL 102, 239502 PRL 103, 245003
Proton Beam Line
Laser
PRL 107, 115002
PRL 107, 265002
PRL 115 , 064801
PRL 110 , 045002
7
束线布局
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)
•微米靶体, I>1018 W/cm2 •Eion ~I0.5 •加速场强>TV/m •加速距离~ few microns
F. Wagner et al 2016
辐射压加速 （RPA）
纳米靶体，I>1020W/cm2， CP/LP，Eion ~I
I. J. Kim et al 2016
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
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
4
Z. Najmudin et al. 2016
癌症治疗对离子束的要求
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）
金属靶离子加速实验设置
1.8J 30fs
激光参数
激光能量：1.8J 脉冲宽度：30fs
0.8μm-6μm铝靶 0.2-6um塑料靶
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
汤姆孙谱仪
100μm Al foil RCF HD-V2
layer RCF MD-V3
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
北京大学提出和证实稳相
（2012YQ030142） 2)FEL
3)Nanotargets in High field science
加速新机制，建成首台激 1)Animal Irradiation
光加速与辐照装置
Platform
癌症治疗需要扩展布拉格峰
要求能散<5%
布拉格峰
扩展布拉格峰
100%
高斯
单能
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
22
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
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
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,
3百度文库 (2017)
10
• 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。
• 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
• 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
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。
layer RCF MD-V3
layer RCF EBT-3 layer
RCF EBT-3 layer
层叠探测器
12
1.2μm塑料靶加速结果 (最大能量抖动<3%)
15MeV
Y. X. Geng et al Submitted to APL
13
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
展望 医疗应用激光加速器
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
超强 激+光
束+线
10~20MeV 皮肤美容等 ~70MeV 眼部等浅层肿瘤 ~250MeV 所有肿瘤
靶+
能量 品质 稳定性
应+用
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。
初始横 向相图
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
漂浮5 cm 后相图
激光加速质子束发射度测量
~0.09mmmrad
PRL 100, 135003
PRL 102, 239502
PRL 102, 239502 PRL 103, 245003
Proton Beam Line
Laser
PRL 107, 115002
PRL 107, 265002
PRL 115 , 064801
PRL 110 , 045002
7
束线布局
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)
•微米靶体, I>1018 W/cm2 •Eion ~I0.5 •加速场强>TV/m •加速距离~ few microns
F. Wagner et al 2016
辐射压加速 （RPA）
纳米靶体，I>1020W/cm2， CP/LP，Eion ~I
I. J. Kim et al 2016
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
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
4
Z. Najmudin et al. 2016
癌症治疗对离子束的要求
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）
金属靶离子加速实验设置
1.8J 30fs
激光参数
激光能量：1.8J 脉冲宽度：30fs
0.8μm-6μm铝靶 0.2-6um塑料靶
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
汤姆孙谱仪
100μm Al foil RCF HD-V2
layer RCF MD-V3
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
北京大学提出和证实稳相
（2012YQ030142） 2)FEL
3)Nanotargets in High field science
加速新机制，建成首台激 1)Animal Irradiation
光加速与辐照装置
Platform
癌症治疗需要扩展布拉格峰
要求能散<5%
布拉格峰
扩展布拉格峰
100%
高斯
单能
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
22
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
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
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,
3百度文库 (2017)
10
• 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。
• 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
• 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
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。
layer RCF MD-V3
layer RCF EBT-3 layer
RCF EBT-3 layer
层叠探测器
12
1.2μm塑料靶加速结果 (最大能量抖动<3%)
15MeV
Y. X. Geng et al Submitted to APL
13
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
展望 医疗应用激光加速器
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
超强 激+光
束+线
10~20MeV 皮肤美容等 ~70MeV 眼部等浅层肿瘤 ~250MeV 所有肿瘤
靶+
能量 品质 稳定性
应+用
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。