质子加速技术一直是高能物理和应用科学领域的研究热点，尤其是实现吉电子伏（GeV）级质子束，对粒子物理实验、肿瘤治疗、核聚变点火以及高能密度物质研究等具有重大意义。近年来，激光等离子体相互作用推进了质子加速技术的革新，微米喷嘴加速技术（Micronozzle Acceleration，简称MNA）作为一种新兴方案，展示出实现高能质子束的新可能。传统加速机制，如靶面法向鞘加速（TNSA）和辐射压力加速（RPA），尽管技术成熟，但在质子能量提升和束流质量方面存在瓶颈。微米喷嘴加速通过独特的结构设计和激光相互作用机理，突破了这一限制，成为热门研究方向。MNA的核心在于微米级结构中嵌入的氢质子靶（H-rod），并通过超强短脉冲激光沿对称轴照射，引发靶内外强大电场的生成。该电场不仅具有极高的强度，还表现出长时间和空间范围的大规模分布，使加速的质子能量获得显著提升。
具体来说，微米喷嘴的几何结构类似光学中的聚能透镜，将激光能量有效聚焦和放大，生成数倍于传统靶面的电场强度。这对于质子初始加速阶段至关重要，极大增强了质子被电场捕获和推动的能力。MNA过程分为三个阶段。第一阶段为初始激光照射阶段，激光与微米喷嘴内壁的相互作用产生能量达兆电子伏（MeV）级热电子。受喷嘴内壁特有锥形设计影响，这些热电子沿着靶体螺旋集中，形成密集带电云，进而加速嵌入的氢质子。接着是喷嘴出口区域的次级加速阶段，由喷嘴裙部表面电荷分离产生的强电场，进一步推动质子向高速运动状态转变。
此阶段具有较大空间尺度，允许质子获得持久的加速时间和距离。最后，在激光脉冲结束后，质子束仍可进入“后燃阶段”，继续从热电子传递的热能中获得动能增长，实现超过一吉电子伏的最终质子能量。二维粒子在细胞（PIC）模拟验证了上述机理，展现了MNA靶结构下质子能谱的独特平坦特性，对比传统氢质子棒和薄膜靶，MNA质子束的最大能量和能量分布均大幅优于传统方案。模拟还显示，激光强度在1012 I（瓦特／厘米²量级）至1022 I的范围内，MNA的质子最大能量随激光强度的提升呈现接近指数升高趋势，比例级约为I^0.79，而传统TNSA靶体则多为I^0.5的缓慢增长。此外，MNA质子束呈现较低的角发散特性，平均发散角多在15度左右，利于后续束流聚焦和应用需求。该技术对激光脉宽同样具备较好的适应性，优化宽度约为20飞秒，无论是在质子最大能量还是激光转质子能转换效率上，都展现出显著优势。
激光能转换效率可达3%以上，在高强度激光系统中具备实际实现可能。微米喷嘴的结构材料多采用铝合金，兼顾耐热和加工性能。实践中，喷嘴与氢质子靶的结合方式对加速效果也具有一定影响，但模拟研究表明，紧密结合的靶体结构不仅不会降低加速效能，反而略微提升转换效率和质子能量。未来，三维参数优化及定制靶体设计将进一步提升MNA技术性能并降低对激光系统的要求。从应用角度看，GeV级高质量质子束在医疗领域的前景尤为广阔。肿瘤质子治疗需要超高能质子以穿透较深组织，同时保证靶区高剂量照射和周边组织损伤最小化。
MNA技术以其高质子能量和良好束流品质，为该领域带来了重要突破。此外，快速点火核聚变、材料高能密度物理实验以及质子射线捕获与传输等，也均依赖于高能质子束的稳定获取。微米喷嘴加速作为新型激光驱动质子加速方案，极具前沿潜力和应用推广价值。综上所述，微米喷嘴加速技术利用其独特结构优势，在超强激光照射下实现了质子能量的显著提升，成功突破传统加速机制瓶颈，展现出清晰的三阶段加速过程及持续动力学特征。随着激光技术和微纳米制造工艺的不断进步，MNA有望逐步实现实验室条件下的稳定输出和产业化应用，推动质子加速领域迈入吉电子伏时代，进而对科学研究和产业应用产生深远影响。
