放电毛细管等离子体诊断新方法：实时波长校准与多技术融合在激光尾波场加速器中的应用

《Laser and Particle Beams》：Real-time wavelength calibration and multi-technique plasma diagnostics in discharge capillary

本研究针对激光尾波场加速器（LWFA）中等离子体参数精确诊断的挑战，开发了基于汞/氖-氩原子发射灯的实时波长校准系统，结合斯塔克展宽分析和碰撞辐射模型，实现了电子密度（1017-1019 cm-3）和温度（1-4 eV）的精确测量。该技术为I-LUCE设施开展超高能电子束（VHEE）放疗应用提供了关键等离子体参数支持，蒙特卡罗模拟验证了200 MeV电子束可实现0.28 Gy/脉冲的剂量输出，为FLASH放疗技术发展奠定基础。

　　

在粒子加速器技术领域，传统射频加速器虽成熟稳定，却受限于加速梯度上限（约100 MV/m），难以满足未来高能物理和医学应用对紧凑型加速器的需求。激光等离子体加速器（LPA）作为革命性技术，通过激光脉冲在等离子体中激发尾波场，可实现GV/m量级的超高加速梯度，将千米级加速器缩短至桌面尺度。然而，该技术的临床应用长期受制于束流稳定性问题，其核心瓶颈在于等离子体源的非均匀性导致加速过程失控。

为解决这一挑战，意大利国家核物理研究院（INFN-LNS）的I-LUCE实验室团队开展了放电毛细管等离子体的多技术诊断研究。该团队创新性地将原子发射光谱与实时波长校准技术相结合，建立了可精确解析等离子体动态过程的诊断平台。研究聚焦氢等离子体的巴尔默线系特征，通过斯塔克展宽效应反演电子密度分布，并利用电离平衡模型计算电子温度，为优化激光尾波场加速器（LWFA）的等离子体源提供了关键参数依据。

关键技术方法包括：1）采用汞/氖-氩原子发射灯进行光谱仪波长校准（MAE≈0.5 nm）；2）利用增强型电荷耦合器件（ICCD）实现时间分辨光谱采集（最小门宽2 ns）；3）基于格里姆理论的斯塔克展宽分析电子密度；4）通过氧离子（O II/O III）谱线强度比验证局部热平衡（LTE）条件；5）采用Geant4蒙特卡罗模拟评估200±25 MeV电子束的剂量分布。

等离子体成像与校准

研究团队通过光谱仪与ICCD相机的组合，实现了等离子体空间光谱联合诊断。光谱维度上，衍射光栅将400-710 nm波段分散至1024像素探测器；空间维度上，毛细管轴向不同位置的发射光被映射至255像素行。通过建立像素-波长（1200 g/mm光栅：0.06 nm/像素）和像素-空间（毛细管长度/255）的转换关系，实现了等离子体参数的二维重构。

波长校准精度验证

采用分段校准策略覆盖五个光谱区间（每区间60 nm），通过汞灯（400-580 nm）和氖-氩灯（580-700 nm）的27条特征谱线建立像素-波长映射模型。结果显示50%的波长偏差控制在±0.1-0.5 nm范围内，平均绝对误差（MAE）达0.5 nm，满足斯塔克展宽测量对校准精度的要求（<±0.2-0.5 nm）。区间1、3、4的色散系数分别为0.193 nm/像素、0.037 nm/像素和0.059 nm/像素，体现了光谱分辨率的空间变化。

等离子体表征与谱线分析

对氢巴尔默线系的拟合结果表明，洛伦兹线型（R²=0.96）比高斯线型（R²=0.85）更能准确描述H_β谱线展宽，证实斯塔克效应是主导展宽机制。通过格里姆公式n_e[cm^-3]=8.02×10¹²[Δλ_1/2/α_1/2]^3/2计算电子密度，其中α_1/2为线宽参数（H_β线：0.00851-0.00927 nm）。实验测得电子密度随时间演化规律（1000-2000 ns区间），H_α与H_β测量值存在倍差，归因于H_α线自吸收效应导致的密度高估。

电子温度诊断与LTE验证

通过H_α/H_β强度比（0.5-1.0）和氧离子（O II/O III）谱线比两种方法验证局部热平衡条件。麦夸特准则（McWhirter criterion）计算显示临界密度（n_c^LTE≈10¹⁶ cm^-3）低于实测电子密度（10¹⁷ cm^-3），支持LTE成立。基于玻尔兹曼分布的温度反演显示，H_α/H_β法测得温度范围较宽（0.9-5 eV），而O II/O III法给出更稳定的2.1-2.4 eV温度值，与毛细管放电理论模型预测值（5.2 eV）具有可比性。

VHEE束流剂量学评估

基于GIST实验室产生的200±25 MeV电子束参数（电荷量120 pC/脉冲），Geant4蒙特卡罗模拟显示四束正交照射可实现0.28 Gy/脉冲的剂量输出。结合10 Hz重复频率激光系统，剂量率可达28 Gy/s，满足FLASH放疗（≥40 Gy/s）的技术要求。二维剂量分布显示束流在水体模中具有良好适形性，为激光驱动放疗设备开发提供重要参考。

本研究通过多技术融合的诊断方案，实现了放电毛细管等离子体参数的精确解析，为激光尾波场加速器的优化设计提供了关键实验依据。所建立的波长校准方法可将光谱测量误差控制在亚纳米量级，斯塔克展宽分析证实电子碰撞主导等离子体加宽机制。研究首次系统比较了H_α/H_β与O II/O III两种温度诊断方法的适用条件，指出离子谱线比在避免自吸收误差方面的优势。蒙特卡罗剂量模拟验证了激光驱动电子束开展FLASH放疗的可行性，为I-LUCE设施后续建设指明了技术路径。这项成果不仅推进了等离子体加速器诊断技术发展，更为超高剂量率放疗设备的小型化提供了新思路。