质子加速技术一直是高能物理、核工业以及肿瘤治疗等领域的研究热点。尤其是在打造高能质子束方面，科学家们不断探索创新方法，以期实现更高能量、更优质、更稳定的质子束输出。近期，一种被称为“微纳米喷嘴加速”（Micronozzle Acceleration，简称MNA）的新型质子加速方案引起了广泛关注，其通过独特的微米级喷嘴结构结合超强激光脉冲，成功生成了能量达到吉电子伏（GeV）级别的质子束。这一进展不仅刷新了激光加速技术的性能极限，也为质子治疗、材料科学研究及高能物理实验带来了全新的可能性。微纳米喷嘴加速的原理基于激光与特定目标结构的耦合效应。与传统的平面靶相比，MNA设计了一个空心微型喷嘴，内嵌一根直径约为微米级别的纯氢棒。
高强度短脉冲激光沿着喷嘴对称轴方向照射，激光能量在喷嘴结构内形成类似“能量透镜”的作用，极大地提升了激光与靶体之间的相互作用效率。激光促进喷嘴内壁的电子被加热并获得超相对论速度，这些热电子随后沿喷嘴内表面汇聚，对内壁及氢棒形成强烈的静电场。此静电场具有高强度、长寿命及较大空间尺度，显著增强了被加速质子的动能，使得质子能量显著提升。微纳米喷嘴加速过程可分为三个阶段。第一阶段是“预热阶段”，激光与喷嘴头部交互，产生大量能量达百万电子伏特级别的热电子，这些电子在喷嘴内的汇聚促进静电场的初步形成。随后进入“主推阶段”，质子沿喷嘴通道质子被该静电场加速，通过喷嘴出口形成高速簇流。
在“加热后阶段”，即“后燃器阶段”，喷嘴出口附近的冷却质子簇继续吸收由热电子转移的热能，实现持续加速，质子能量在此过程中可从几百兆电子伏特升级接近甚至超过吉电子伏特级别。这种分阶段加速的机制不仅拓展了质子加速的时间窗口，也使得质子能量的提升更为高效而持久。微纳米喷嘴结构的设计对质子束性能起着决定性作用。喷嘴头部耀眼的锥形结构呈现出能量透镜的功能，使得激光能量集中于氢棒表面，大幅提高激光吸收效率和热电子产生率。同时喷嘴的裙边部分有效地限制电子逸散并形成强大的空间电荷效应，为质子的连续加速提供了保证。细节参数如喷嘴头高、裙边长、氢棒直径及喷嘴壁厚度等均通过计算模拟被优化以实现理想的质子能量输出。
此外，喷嘴载体材料如铝也具备优良的机械强度和激光耐受性，保证了实验的可行性与重复性。以峰值激光强度约10的21次幂瓦每平方厘米为例，经典氢棒靶的质子最大能量约为100至150兆电子伏，而微纳米喷嘴加速方案实现了质子能量高达400兆电子伏特，比传统方案能量高出近3至4倍。激光强度提升至10的22次幂瓦每平方厘米时，质子束动力学模拟显示质子能量可突破1吉电子伏，达到了迄今为止罕见的激光驱动质子束能量水平。微纳米喷嘴加速的优势还表现在质子束的发散度显著减小。喷嘴结构对质子流的物理束缚使其在空间上保持较好的聚焦性，相比传统二维平面靶，其束流的半峰宽发散角控制在10至20度内，极大提升了质子束在实际应用中聚焦和输运的效能。这对于粒子治疗尤其重要，能够有效聚焦质子束以精准靶向治疗病灶，减少对周围正常组织的辐射损伤。
激光脉冲宽度及能量转化效率也是评价该加速技术性能的关键指标。研究表明，当激光脉冲宽度约为20飞秒时，微纳米喷嘴加速效果最为显著，不仅质子的最大动能达到峰值，同时激光能量向质子束的转化效率提升至3%左右，接近甚至超越目前的Target Normal Sheath Acceleration（TNSA）方案。此发现为未来激光设计和质子束制备提供了重要指导，指明了高性能激光压缩与靶材设计相结合的最佳路径。数值模拟与理论分析证实，质子能量与激光强度呈现出近似幂函数的正相关，其中MNA方案展现出质子能量随激光强度的提升速度（指数约为0.79）明显高于传统方案（指数约为0.5），表明喷嘴结构有效激发了更深层次的能量转化机制，增强了离子加速过程的非线性增益。自相似解的两流体模型进一步揭示了热电子温度、空间尺寸及等离子体膨胀动态对质子能量增长机制的贡献，为理解后燃阶段持续加速过程提供了理论基础。在实际目标制备方面，微纳米喷嘴加速方案显示出较强的结构容错性。
即使氢棒与喷嘴壁紧密贴合，或者氢棒形貌由圆形调整为椭圆形，质子加速性能变化不大，甚至在某些设计下能最大化能量输出和激光传输效率。这意味着该方案具备较宽的实验可行参数空间，有望通过微制造技术实现批量高重复率的靶材生产，推动技术应用落地。微纳米喷嘴加速技术的突破不仅提升了激光驱动质子加速器的性能，还为多领域注入了新的活力。在质子治疗领域，高能、低发散的质子束有望大幅改善肿瘤精准照射效果及治疗效率，降低副作用。在高能物理实验中，GeV级别的质子束为探索基本粒子物理、核反应动力学及等离子体物理提供了重要工具。工业层面，微纳米喷嘴加速还可能用于高能材料改性、辐照实验以及核废料转化等前沿应用。
未来，随着高功率激光技术与微纳制造技术的同步进步，微纳米喷嘴加速有望实现更高激光强度与更优靶材结构的结合，进一步拓展质子能量的极限。同时，多维度优化、三维全粒子模拟将推动其技术成熟度，为实验验证和工程应用奠定坚实基础。总结来看，微纳米喷嘴加速技术利用独特的结构创新及激光靶相互作用，实现了质子束动能的革命性提升，开启了激光质子加速科研与应用的新纪元。其优越的增能效率、较低的能量门槛及广泛的调整空间，使其成为未来高能质子源研发的首选方向。随着相关研究深入推进，该技术或将在医疗、科研及工业领域发挥重要的变革性作用，推动人类对高能质子加速的理解和利用迈上新台阶。
