在现代物理学和工程技术中，高能粒子束的生成及控制一直是科研的核心方向之一。质子束，尤其是吉电子伏特（GeV）能级的质子束，因其高能量、高方向性和小发散角的特性，在粒子加速、肿瘤医疗、材料科学以及高能密度物理等多个领域拥有广泛的应用价值。传统质子加速器虽然成熟，但体积庞大且投资高昂，使得开发便携紧凑的加速技术成为科学家们的不懈追求。微米喷嘴加速（Micronozzle Acceleration, MNA）作为一种革命性的激光驱动质子加速新机制，正引领着这一技术的革新浪潮。 微米喷嘴加速技术的核心在于其独特的目标结构设计。该结构通常采用一个微米级尺寸的氢质子棒（H-rod）被牢固地嵌入在一个中空的微米喷嘴内，喷嘴材料多选用铝或者其他轻金属材料。
激光束沿对称轴照射该结构时，激光能量被喷嘴内壁有效聚焦，激发出大量高速热电子。这些电子聚集形成负电荷云，与喷嘴内壁的正电荷形成显著的电场，使质子在喷嘴出口处经历三阶段连续加速：起步加速、主驱动加速和余燃加速。 第一阶段的起步加速主要依赖超强激光脉冲与喷嘴内壁的相互作用，产生能量高达兆电子伏特（MeV）量级的热电子。这些电子沿喷嘴收敛并包围氢质子棒，受喷嘴锥形结构引导，产生高强度局域电场。此时，质子开始脱离氢棒表面并向喷嘴出口方向运动。 随着质子进入喷嘴裙部所覆盖的空间，第二阶段主驱动加速得以启动。
在喷嘴尾部，由于大量热电子的逸出，喷嘴尾端带有大量正电荷，形成宽广且长寿命的静电场。该电场对经过的质子产生持续作用，大幅提升质子束的动能，质子能量得以跃升至数百兆电子伏特甚至上千兆电子伏特的量级。 第三阶段的余燃加速阶段则是MNA技术的独特优势之一。在激光脉冲结束后，质子仍在持续加速，这主要归因于热电子储存的能量通过等离子体自由膨胀传递给质子，进而实现能量的后续增长。实验证明，这一阶段为质子能量的显著增长贡献了约三分之一量级的增益。 与传统目标正常鞘层加速（TNSA）及其他激光质子加速机制相比，微米喷嘴加速技术在多方面展现出优越性。
首先，在相同激光强度下，MNA技术产生的最高质子能量能够超过TNSA近3至4倍，性能提升明显。其次，MNA产出的质子束具有小于20度的发散角，显示出较高的束流准直性和方向性，这对于下游应用中的靶向性和效率有着关键影响。此外，激光到质子的能量转换效率接近甚至可能优于目前实验所达到的最高水平，提高了能源利用率。 模拟研究和数值模拟基于二维粒子嵌入式算法（Particle-in-Cell, PIC），针对各种激光强度（从1×10^20 W/cm^2到5×10^22 W/cm^2）和不同喷嘴结构参数进行了系统分析。结果表明，采用10微米宽高斯光斑聚焦的激光脉冲，在峰值强度约为1×10^22 W/cm^2，脉冲宽度约为20至100飞秒的条件下，MNA目标能够产生近1 GeV的最高质子能量。更重要的是，质子束能量随激光强度的标幂关系约为0.79次方，显著优于传统的0.5次方标幂，这意味着在未来更高强度的激光场下，MNA技术的能量提升潜力极为可观。
微米喷嘴的几何设计对于加速效果起着决定性作用。喷嘴头部通常采用圆形曲面，而喷嘴裙部设计为椭圆形过渡，使加速区的电场形成空间和寿命得到优化，最大限度地提升电子的集聚及喷嘴正电荷的累积效果。喷嘴壁的厚度和氢质子棒的直径则经过细致的匹配设计，平衡了热电子传输效率和目标结构稳定性。实际制造中，喷嘴与氢棒是否紧密接触对性能影响较小，表明MNA装置具有良好的制造容差。 在激光参数方面，短脉冲及高强度激光更有利于增强热电子温度，进而放大质子束能量。优化脉冲宽度可以达到更高的激光-质子能量转化效率，例如约20飞秒的脉冲宽度被认为是实现较好转换效率和高质子能量的理想选择。
随着高功率激光技术的进步，如千万亿瓦（petawatt）级激光系统的普及，应用MNA技术产生GeV质子束已经成为现实可行。 高能质子束的应用前景广阔，特别是在肿瘤放射治疗领域。GeV级质子束具备极佳的深度剂量穿透性和极短传输时间，能够实现针对肿瘤细胞的精准照射，最大程度减少对周边正常组织的损伤。此外，在高能物理研究中，紧凑型激光质子加速器能大幅降低实验规模和成本，推动基本粒子物理及核物理学的科研发展。高能量密度物理领域也依赖于高质量的质子束来创造极端条件，探索物质在极端温度和压力下的行为。 面向未来，微米喷嘴加速技术的进一步发展依赖于多方面的技术突破。
三维全尺寸的粒子模拟将为优化喷嘴结构和激光配置提供更精准指导。同时，提升激光系统的重复频率和稳定性将促进该技术的实用化转变。材料科学的进步也将带来更耐高强度激光辐照和高热负荷的靶材设计，保障加速过程的可靠性和长期运行。跨学科合作，包括激光物理、等离子体物理、材料工程和医学应用，将加速微米喷嘴加速技术向实际应用的转化。 综上所述，微米喷嘴加速作为一种前沿的激光驱动质子加速机制，凭借其独特的结构设计和加速物理过程，有望实现高效、紧凑且可控的GeV级质子束生成。技术的不断完善将带动粒子加速器迷你化，推动高能质子束在科研与医疗领域的广泛应用，迎来质子加速技术的新纪元。
随着全球激光技术和纳米制造工艺的进一步进步，微米喷嘴加速技术的潜力将被彻底释放，推动人类开启高能粒子科学新篇章。
