近年来，激光驱动的质子加速技术受到了科学界的广泛关注。随着激光技术的不断突破，高强度、超短脉冲激光为质子束的高能量化和高质量化提供了坚实基础。微米喷嘴加速（Micronozzle Acceleration，简称MNA）作为一种前沿的激光加速方案，以其独特的微结构设计和多阶段加速机制，实现了质子能量跨越至千兆电子伏（GeV）水平，展示了极大的发展潜力和应用价值。MNA的核心创新在于其靶结构——一个微米级的氢质子棒嵌入在中空的微米喷嘴内，通过高强度激光沿对称轴照射，激发长寿命且空间范围宽广的电场，有效促进质子的动能提升。传统质子加速方法如靶面归一靶加速（TNSA）面对能量瓶颈的挑战时，MNA以其结构优化和物理机理的革新冲破限制，实现了质子束能量和方向性的显著跃进。 激光驱动的离子加速技术具备高方向性、微米级空间限制以及皮秒级时间紧凑性，可产生粒子数量达到10的13次方级别的质子束脉冲，广泛适用于高能密度物理、大规模等离子体诊断、肿瘤治疗及传统加速器注入。
质子束能量达到数百兆电子伏是肿瘤消融的有效阈值，但更高的能量对于许多更高要求的应用场景极为关键。MNA定位于高激光强度约为10的22次方瓦每平方厘米的领域，以新颖的微结构效率优化，实现了质子的超高能量获取。 MNA靶设计的精髓体现于其“微米喷嘴”结构。该结构类似于激光的能量聚焦透镜。一个固态氢质子棒被精确安置于喷嘴颈部的位置，最大限度地促进质子发射。包覆于氢棒外的喷嘴由铝材料制成，外形通过圆形和椭圆形相结合的复杂曲面设计形成，形成喷嘴头部与裙部的自然过渡。
激光脉冲以p偏振形式、波长0.8微米、脉宽100飞秒、辐照10微米宽高斯光斑聚焦于喷嘴中心。单脉冲高能量注入使喷嘴内部及其周围产生强烈的洛伦兹力场和电场效应，驱使质子完成多重加速过程。 质子的加速过程分为三个阶段。初始阶段，激光与喷嘴内表面相互作用，产生能量达到兆电子伏量级的高速电子。这些电子沿喷嘴内壁集中流动，形成负电荷云，与带正电的喷嘴内壁相互作用，推动氢质子棒表面释放的质子沿喷嘴出口方向加速。在喷嘴裙部，激光脉冲未被挡截部分照射外表面，产生额外的高速电子，该电子团一部分流入喷嘴腔内，一部分逸出至外部真空区域，导致喷嘴尾部带正电荷。
在第二阶段，喷嘴内表面因电荷分离效应形成的电场跨越喷嘴开口尺度，显著地增强了质子的加速动力。激光脉冲停止后，第三阶段的“后燃烧”阶段中，质子束借助有序热电子的能量转移，借助自由扩展进入更高动能层次，通过其持续输运实现最大动能的提升。 通过二维粒子-网格计算（Particle-in-Cell，PIC）模拟验证，激光强度为3×10的21次方瓦每平方厘米时，MNA靶点最大质子能量已达到400兆电子伏，是传统TNSA方案3至4倍之多。进一步提升激光强度至10的22次方瓦每平方厘米，模拟结果预测质子能量突破1千兆电子伏大关。这种质子束表现出较好的能量光谱平坦性，区别于传统方案中能量分布单调衰减的特点，有助于实现靶向性治疗和精准加速的需求。 MNA的电场生成机制基于激光靶表面产生的热电子以及喷嘴空间几何形态引起的电荷分离。
喷嘴结构几何形状有助于电子流汇聚，增强局部能量密度，并延长电场寿命和覆盖范围。加之喷嘴外表的电子漏失，使喷嘴尾部带上强正电荷，形成有利于质子持续加速的静电场。这种加速机制既结合了传统靶面热电子转移的物理原理，也引入了利用微结构优化控制电场分布的创新理念。自相似模型数学分析则揭示了“后燃烧”阶段质子能量增长的物理基础，与数值模拟结果吻合良好。 与常规板靶和简单氢质子靶相比，MNA靶在不同激光强度下展现出独特的能量标度规律。质子最大能量依赖于激光强度的幂律指数约为0.79，明显高于传统TNSA方案的0.5。
同时，MNA方案中质子束的束散角范围在5至25度内，平均约16度，优于传统方案的23度，展现出良好的束流方向性和能量聚集效果。激光脉冲的持续时间亦对加速效能产生影响，高激光强度区段中，约20飞秒脉宽对应较佳的能量转化效率和平衡最大质子能量。 实用层面，MNA靶的设计考虑了氢质子棒与喷嘴壁之间的实际接触状态。研究显示即使两者直接接合，质子能量维持在高水平，表明该加速方案的稳健性有利于相关靶材的制造工艺推广。另外，通过调整氢杆的尺寸和形状可进一步提升质子能量和能量转换效率，这为后续实验优化指明了方向。 MNA技术的发展不仅有助于突破质子能量的限制，更为紧凑型超强激光加速器的实现奠定基础。
千兆电子伏级的质子束在医学中可用于更深层次肿瘤治疗，提供高精度照射并降低副作用。在高能物理领域，MNA有望产生新型离子源，推动核物理实验和同位素生产。材料科学中，该类高能加速质子束可实现极端条件下的动力学研究和微观结构分析。未来，进一步的三维优化模拟和激光靶配合实验将促使MNA技术从理论走向工程应用，助推激光加速领域进入新时代。
