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超强激光科学卓越创新简报

(第八百一十三期)

2026年8月19日

上海光机所在渡越辐射场加速高能质子方面取得重要突破

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队在渡越辐射场加速高能质子方面取得重要突破。相关成果以“Transition Radiation Field Enhanced Laser Proton Acceleration Employing Near-Critical-Density Foam”为题发表在Nature Communications。

激光驱动的质子源在新型聚变能源、FLASH肿瘤治疗、高能量密度物态诊断、激光核物理等领域有着重要应用前景。为了获得高质量的质子束，过去近三十年间，先后发展出靶后法线鞘层加速、辐射压加速、激波加速、库仑膨胀加速以及相应的混合加速等机制，这些激光质子加速过程本质上依赖等离子体局域电荷分离场（Charge-Separation Field, CSF）。

研究团队基于上海超强超短激光实验装置（SULF，羲和激光），利用2 PW飞秒激光轰击近临界密度碳纳米管泡沫，开展了激光加速高能质子束的研究，发现一种新型的激光质子加速机制-渡越辐射加速机制（Transition Radiation Field Acceleration，TRFA）。该机制借助辐射场加速质子，不同于以往研究中基于局域电荷分离场的加速方案。

实验中，聚焦强度高达1021-1022 W/cm2的飞秒脉冲，在几十微米厚的近临界密度碳纳米管泡沫中传输，通过直接激光加速获得了大电量（30 nC，>13 MeV）的相对论电子束。当该相对论电子穿过高密度基底与真空界面时，产生了能量高达0.6 J的太赫兹波段渡越辐射。这种渡越辐射可在靶后表面形成1012-1013 V/m的纵向加速电场，其强度媲美局域电荷分离场，能够实现有效质子加速。最终，利用该方案实验上获得的质子束截止能量高达90 MeV，相比于平面靶情况提高了两倍。

本工作首次明确了相对论电子束与质子加速场能量耦合方式，理清了近临界密度靶增强质子加速的物理本质，开辟了新的激光质子加速研究方向，有望推动激光质子源向质子硼无中子聚变、激光质子刀等应用迈进。

论文的共同第一作者为中科院上海光机所的秦承宇副研究员、耿学松副研究员，通讯作者为张辉研究员、吉亮亮研究员和李儒新院士。该研究获得了中科院先导B类专项、国自然基础科学中心、重点研发计划、中科院稳定支持基础研究青年团队、上海市启明星及中国博士后面上等项目的支持。

原文链接

图1：（a）实验布置示意图；（b）渡越辐射加速机制原理图；（c）碳纳米管泡沫的扫描电子显微图像；（d-f）电子堆栈测得的电子束空间分布；（g）汤姆逊谱仪的原始数据。

图2：（a）质子截止能量随泡沫厚度的变化趋势；（b-c）不同泡沫厚度条件下质子能谱的实验和模拟结果；（d）渡越辐射产生的太赫兹频谱；（e）电子电量和太赫兹能量随泡沫厚度的变化趋势。

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