质子加速技术一直是高能物理和应用科学研究中的核心方向。随着激光技术的飞速发展，激光等离子体加速（Laser-Plasma Acceleration）成为实现质子高速、高能束流的重要手段。最新研究提出了一种创新的离子加速方案——微米喷嘴加速（Micronozzle Acceleration，简称MNA），通过具备特殊结构的靶材设计和超高强度短脉冲激光的协同作用，实现了质子能量达到吉电子伏（GeV）级别的重大突破。作为一种全新的加速机制，MNA不仅改写了传统激光质子加速的物理格局，还为医疗治疗、粒子物理及高能密度物理等领域提供了重要支撑。 传统质子加速手段如靶面法向鞘加速（TNSA）、辐射压力加速（RPA）、无碰撞激波加速（CSA）及击穿后燃器加速（BOA）等虽然取得了显著进展，但在质子能量提升及束流品质控制上仍存在一定局限。尤其对于实现超过数百MeV乃至GeV级别的高能质子束，这些方法面临着激光能量利用率低、加速场延展性差及束流发散性较大等问题。
为此，研究者探索了结构化靶材及多阶加速机制，旨在有效提升激光能量向质子转化效率和质子能量上限。 微米喷嘴加速技术的核心在于其独特的靶材结构设计。它采用一个微米尺度的喷嘴结构，喷嘴内部嵌入一根实心氢质子棒（称为H棒），氢质子棒置于喷嘴颈部位置，最大化加速效率。喷嘴通常由铝等金属材料构建，起到电场强化器的作用。当超高强度的超短激光沿喷嘴对称轴照射时，激光能量被喷嘴头部结构有效聚焦和转换，产生大量高能激发电子。这些热电子沿喷嘴内腔及其表面运动，形成复杂的电荷分布，最终在喷嘴出口区构建出时间长、空间范围广的强电场，这种电场显著增强了质子的加速力度，使其获得超越吉电子伏级的能量。
微米喷嘴加速分为三个阶段。第一阶段，激光照射喷嘴头部，产生具备数MeV能量的相对论热电子，这些电子在喷嘴内壁形成负电荷云，与带正电的喷嘴内壁产生强电场，促使氢质子棒中的质子向喷嘴出口加速。第二阶段，激光未击中喷嘴头部的外围光束照射喷嘴裙边，生成另一批热电子，这些电子部分逸出喷嘴尾部真空区，尾部带电呈强正电，此时喷嘴裙边形成长距离强电场，进一步推动出喷嘴的质子。第三阶段则是“后燃器阶段”，质子在激光停止照射后仍不断吸收热电子的热能，通过自由膨胀持续加速，质子能量进一步上升。 这种多阶加速过程赋予MNA质子束极高的最终能量。数值模拟结果显示，在激光峰值强度约为3×10^21 W/cm^2时，质子最大能量可达到400 MeV，是传统平面靶TNSA方案的3到4倍；激光强度提高至1×10^22 W/cm^2时，质子能量甚至突破1 GeV大关。
相比之下，传统方案能量提升受限于激光与电子耦合效率及加速场空间长度，难以实现类似的突破。 二维粒子追踪模拟（Particle-in-Cell，PIC）进一步揭示了电场分布和质子密度演化过程。喷嘴结构不仅放大了激光光场和热电子流密度，更在喷嘴出口形成持续且均匀的加速电场，使质子束在空间及时间上获得充足的加速空间与时间。此外，喷嘴的导流作用有效减小了质子束的角度散布，平均发散度低于20度，优于传统方法，有利于后续束流传输与应用。 激光参数对MNA性能至关重要。激光脉冲宽度、峰值强度及聚焦尺寸均影响质子能量和能量转换效率。
模拟显示在100 fs脉冲宽度下，激光能充分激发热电子及维持喷嘴内部电场；而在20 fs左右的脉冲宽度时，能量转化效率达到最佳，约为3%。这一转换效率的高效实现使MNA在经济性及可复现性方面表现出极大潜力。 此外，喷嘴与H棒之间的结合方式对加速效果影响较小，即使两者紧密接触或喷嘴颈部略宽于H棒，质子能量保持在接近1 GeV水平。通过调整H棒直径及形状（如椭圆截面设计）还可实现质子束能量及束流效率的微调，增强整体性能。 MNA的物理机制归结为巧妙利用结构优势创造宽广且持久的加速电场，与传统TNSA的狭窄短寿命电场形成鲜明对比。由结构引导的热电子流提供持续的能量输入，同时喷嘴结构有效将激波及电场集中于喷嘴出口，形成一种“功率透镜”效应，实现高效的能量耦合和转化。
自由膨胀的等温电子温度最终驱动离子流在后燃器阶段持续获得动能，使质子能量不断增长。 微米喷嘴加速技术具备多领域广泛应用前景。医疗领域尤其关注质子疗法，期望高质量高能量质子束用于肿瘤治疗，提升治疗效果并缩短疗程。MNA方案为提供紧凑型、低成本的激光驱动质子加速器奠定技术基础，有望推动质子治疗设备的小型化和普及。粒子物理研究中，高能质子束的产生为输运物理、材料研究和高能密度实验提供强有力的离子源。新型加速模式兼具高能量及良好束流特性，为下一代相关实验提供优质资源。
未来，随着超快激光技术及纳米微结构材料加工技术的提升，MNA靶材的优化及激光参数的进一步调控将使吉电子伏乃至更高能量级的质子束成为现实。三维模拟和实验验证将在提升加速效率、束流稳定性及重复性方面发挥关键作用。多靶阵列与周期性结构的设计也有望进一步扩大质子束面积，满足更大规模实验和应用需求。 总结而言，微米喷嘴加速技术通过融合先进的微纳结构设计和超高强度激光技术，突破了传统激光质子加速的瓶颈，实现吉电子伏能量级的质子束加速。其独特的多阶段加速机制和高效能量转换特性为离子加速领域注入了新活力，促进未来激光粒子加速器向着更高能量、更优束流品质及更广泛应用迈进。随着相关技术的逐步成熟，MNA有望成为激光驱动质子加速的主流方案，推动科研和临床应用领域的跨越式发展。
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