等離子體(ti) 加速器原理

　　強激光脈衝(chong) 在等離子體(ti) 中(簡單起見，電離氣體(ti) )傳(chuan) 輸時，激光脈衝(chong) 的有質動力將把等離子體(ti) 中的自由電子排出，當電子偏離其初始位置時，將被原位置處的正離子拉回並做往複振蕩，電子與(yu) 離子之間的相對運動形成了縱向的電子密度波“等離子體(ti) 尾場”如同運動的船隻形成的水波，圖13所示分別為(wei) 線性和非線性等離子體(ti) 尾波場形成的過程。由於(yu) 尾場是以激光脈衝(chong) 速度傳(chuan) 播的，因此能將有望將粒子加速到相對論能量。

　　作用領域

　　激光強度峰值時的歸一化矢勢表示為(wei) a0≈0.855×(I18λμm2)1/2，在較低激光強度下(a0<<1)，尾場是正弦形式的，如圖13(a)和圖14(a)所示，等離子體(ti) 波和加速電場的幅度均正比於(yu) 激光強度。在高強度下(a0>~1)，相對論電子質量增加下降等離子體(ti) 的頻率，增加等離子體(ti) 波的波長並引起尾場形成鋸齒般的輪廓。由於(yu) 激光強度在橫向方向的變化，如圖13(b)所示等離子體(ti) 波波前呈現鋸齒狀。

　　Tajima和Dawson在1979年撰寫(xie) 了先驅性的論文(Phys. Rev. Lett. 43， 267~270 (1979))，文中提出了等離子體(ti) 加速器的原理。核心概念即通過強激光脈衝(chong) 激發相對論等離子體(ti) 波，脈衝(chong) 持續時間小於(yu) 等離子體(ti) 周期——“激光尾場加速器”(LWFA)。

　　等離子體(ti) 激波加速(PBWA)

　　該方案為(wei) 兩(liang) 束相向傳(chuan) 輸的激光脈衝(chong) ，波數和頻率分別為(wei) k1，2，ω1，2，調製激光場為(wei) cos(1/2(Δkz-Δωt))。如圖14(b)所示，當Δω=ωp時，等離子體(ti) 波將共振激發。 1993年，加州洛杉磯大學首次驗證了PBWA方案電子加速，實驗采用70J，300ps激光脈衝(chong) 將高頻射線槍產(chan) 生的2.1MeV的電子加速到9.1MeV(Phys. Rev. Lett. 70， 37~40(1993))。PBWA機製本身存在著局限性：隨著等離子體(ti) 波幅度的增長，電子相對論質量的增加導致等離子體(ti) 頻率下降，導致激波失諧以及等離子體(ti) 波的幅度飽和，該效應限製了該方案的進展。

　　自調製尾場加速(SM-LWFA)

　　Andreev和Krall首次理論上提出了自調製激光尾場加速方案。激光脈衝(chong) 長度cτ>>λp，如圖14(c)所示，在激光和等離子體(ti) 作用中脈衝(chong) 被調製在等離子體(ti) 頻率。調製主要由以下兩(liang) 種機製引起：1) 激光脈衝(chong) 前端所激發的等離子體(ti) 波在低(高)軸密度的聚焦(散焦)；2) 驅動激光和前向拉曼散射的激振ω0+ωp；SM-LWFAs實驗在上世紀九十年代開展，皮秒脈衝(chong) 寬度，能量達到幾十焦耳的激光同密度為(wei) 1019cm-3等離子體(ti) 相互作用。如圖15(b)所示當時獲得的電子能譜，最高94MeV。

空泡加速

　　Rosenzweig(Phys. Rev. A 44， R6189~R6192 (1991))的工作中采用了短脈衝(chong) 離子束來驅動等離子體(ti) 波的方法，研究發現等離子體(ti) 中電子完全被從(cong) 軸上區域排開，從(cong) 而形成了如圖14(b)所示的理想電子束加速的場結構。Pukhov和Meyer-ter-Vehn(Appl. Phys. B 74， 355~361(2002))。研究了超強超短激光脈衝(chong) 作用下尾場的形成，結果表明空泡尾部的部分電子能夠被捕獲，更為(wei) 重要的是，被加速的電子能譜是分立的，而不是SM-LWFA所形成的準熱能譜。實驗上的首次驗證完成於(yu) 2004年，帝國理工大學，勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室，法國光學實驗室相繼報道了空泡電子加速的結果。如圖15所示介紹了帝國理工學院在盧瑟福-阿普爾頓實驗室的Astra激光裝置上獲得的結果(Nature 431，535~538(2004))電子峰值能量86MeV，能散度2%。

　　波導等離子體(ti) 加速

　　牛津大學的Hooker等設計一種產(chan) 生等離子體(ti) 通道的方法：直徑200~300μm，長度為(wei) 幾十毫米的寶石或者鋁製毛細管，兩(liang) 端開口，內(nei) 部可充氦氣，如圖16(a)所示，包含了一個(ge) 控製電子注入的氣體(ti) 噴嘴，通過泵浦毛細管放電使其內(nei) 部形成等離子體(ti) ，並在軸線上形成低密度區域。如圖16(b)所示，該方法獲得的電子能量首次接近1GeV (Nature Phys. 2， 696~699 (2006))。

等離子體(ti) 加速器應用

　　激光等離子體(ti) 加速器在驅動產(chan) 生強輻射源方向有重大優(you) 勢，如圖17所示，將電子束通過磁波蕩器時，將產(chan) 生可見光及軟X射線波段輻射，Fuchs等(Nature Phys. 5， 826~829(2009))將200MeV的電子通過波蕩器產(chan) 生了17nm和9nm波長的輻射，峰值亮度為(wei) 1.3×1017s-1mard-2mm-20.1%BW-1。此外，激光尾場內(nei) 橫向電場對電子振蕩的調製作用也將發射較強的短波輻射，即電子回旋振蕩輻射。Kneip等測量250MeV電子回旋振蕩發射1~100keV的X射線輻射，並在10keV處產(chan) 生1×1022PSB峰值亮度(Nature Phys. 6，980~983(2010))。

　　隨著超強超快激光技術的發展，激光等離子體(ti) 加速器將展開新的篇章：時間分辨科學以及百GeV粒子加速。新的研究進展需要不但高能激光係統的研發，更需要等離子體(ti) 物理，粒子物理以及傳(chuan) 統直線加速器科學科研小組之間的相互協作和共同努力。