质子加速技术作为现代物理与应用科学研究中的重要课题，受到全球科研人员的广泛关注。传统的质子加速方式如靶面法（TNSA）、辐射压力加速（RPA）等尽管取得了一定的成果，但在能量提升和束流质量方面仍存在瓶颈。近期，微喷嘴加速（Micronozzle Acceleration, MNA）技术的提出为突破这一限制提供了全新思路，其创新性的微结构靶设计和多阶段加速机制使得质子能量得以快速提升至千兆电子伏级别。这一突破不仅使质子加速器更加紧凑和高效，也为质子放疗、高能物理实验以及高能量密度物质研究打开了新的发展空间。 微喷嘴加速技术的核心在于独特的靶结构设计。与传统平面靶或无结构靶明显不同，MNA靶由一个空心的微喷嘴和嵌入其中的微米级氢质子棒（H-rod）组成。
该氢棒被精确地放置在喷嘴颈部位置，以最大化激光照射下质子的释放和加速效率。喷嘴材料通常采用铝制，利用其良好的导电性和机械稳定性，有效承载激光驱动下产生的强电场。激光脉冲沿对称轴入射时，喷嘴结构如同一个“能量透镜”，可显著聚集激光能量与热电子流向目标氢棒区域，从而形成强而持久的电势，加速氢棒中的质子快速冲出喷嘴并获得极高速度。 质子加速的过程可分为三个关键阶段。首先是起跑阶段，当超强激光照射喷嘴内表面时，表面快速形成大量超热电子，这些电子在喷嘴内表面和氢棒周围以收敛的方式流动，激发出极强的局部负电荷云，同步使喷嘴壁带正电，这种电荷分离产生的静电场立即开始推动质子从氢棒表面释放并沿喷嘴轴线加速。其次主驱动阶段中，激光能量的大量注入使得喷嘴尾部电势得到强化和拉伸，形成一片宽阔且持久的强电场区域。
正是这些电场使得质子在喷嘴出口附近获得持续且显著的加速，加速效果远优于传统平面靶。最后是后燃烧阶段，质子群离开喷嘴后，仍处于由热线电子膨胀产生的空间电场中，质子继续吸取电子热能，保持加速状态，最终实现能量的显著跃升。 为了深入理解MNA的物理机制和性能表现，研究团队采用开源全相对论二维粒子-网格（PIC）模拟软件EPOCH，在纳米米尺度的空间和飞秒量级的时间尺度内，对激光-MNA靶系统进行了详尽的仿真。模拟采用激光波长为0.8微米的超短脉冲，峰值强度达到10的22次方瓦每平方厘米，脉宽为100飞秒，聚焦光斑约为10微米。这些参数符合目前全球高功率激光实验室的顶尖水平。在模拟中，喷嘴尺寸参数被设定为喷嘴头部高度5.3微米，喷嘴尾部高度12微米，喷嘴壁厚度0.6微米，氢棒直径2微米。
模拟显示，MNA靶对激光的响应非常活跃。激光入射后，喷嘴头部区域由于几何形状得当，激光能量被有效汇聚并转化成丰沛的热电子，电场强度显著提升，其侧向电场强度相比无喷嘴结构的氢棒靶增加了超过两倍，能量流密度增强了6倍以上。此现象揭示了微结构靶设计在激光能量传递和电子加热中的关键作用。随后的电场分布演化观察显示，喷嘴尾部电场迅速扩展至下游区域，并保持数百飞秒的时间尺度不减弱，为质子提供了持续的加速通道。此过程充分体现了MNA靶的空间和时间结构优势。与此形成对比的是传统平面靶及单独氢棒靶加速的质子能谱呈现快速下降趋势，而MNA质子能谱则趋于平坦，意味着质子束中高能粒子的数量大幅增加，能量分布更均一，更适合后续应用需求。
能量方面的结果同样令人瞩目。在标准激光强度约3×10的21次方瓦每平方厘米条件下，MNA质子最大能量达到约400兆电子伏，是同强度下传统TNSA靶的3-4倍之多。随着激光强度提升至1×10的22次方瓦每平方厘米，最大质子能量突破1吉电子伏大关。显著的能量提升不仅来源于喷嘴前两个加速阶段，更由于在激光关闭后的后燃烧阶段质子的持续加速。该阶段电场由高速电子通过自由膨胀过程持续生成，质子在此过程吸收热电子能量，展现出自相似的动力学特征，此现象被研究者们通过详尽的理论模型和数值拟合得到验证，揭示了材料和激光参数对后燃烧能量增益的量化影响。 激光参数对MNA性能的影响表达了显著的非线性关系。
质子最大能量对激光强度的依赖呈现约0.79次方的幂律增长，强于传统平面靶中约0.5次方的依赖指数。此外，脉冲宽度对能量增益表现出复杂的调节作用，在20飞秒附近的较短激光脉宽下，既能保证较高质子能量，还能获得较高的能量转换效率，达3%左右。角度发散方面，MNA产生的质子束发散角度平均约16度，明显优于一般TNSA靶约23度，体现了微喷嘴构型对质子束流的良好聚焦和准直功能。 靶体结构的微小调整同样影响质子加速表现。研究表明，即使氢棒和喷嘴帧之间密切接触或尺寸略有变化，不同结构的靶体均能维持类似的质子能谱形态。某些椭圆形氢棒设计相较于原型靶体，在转化效率和最大能量上存在10%以上的提升，提示未来通过多维优化靶体几何参数，有望进一步提升MNA性能并减少激光强度门槛。
微喷嘴加速技术的发展为未来紧凑型高能离子源的构建提供了坚实基础。其能够在现有或即将实现的实验条件下，利用超短激光脉冲实现接近或超过千兆电子伏级的质子束，具备明晰的物理机制和可验证的数值模型支持，为高质量质子放疗、核物理加速实验以及高能量密度物质状态研究等领域注入新的动力和技术保障。随着激光技术和微纳制造工艺的精细提升，预计MNA技术将获得更广泛的应用与深入的技术完善，推动激光驱动离子加速进入实用化新阶段。
