粒子物理學(xué)領(lǐng)域獲得的一項(xiàng)重要成果值得引起注意，它意味著粒子加速器將變得更廉價(jià)，更小巧。日本以及英國(guó)、美國(guó)和法國(guó)的研究小組利用超短和超強(qiáng)激光來(lái)在等離子體中生成極端電場(chǎng)，先后獲得了高質(zhì)量電子束。這些相對(duì)論電子束將有很多用途，包括建造緊湊型桌面式的粒子加速器。

日本國(guó)立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（Advanced Industrial Science and Technology，簡(jiǎn)稱AIST）2004年8月4日發(fā)布消息：AIST的能源技術(shù)研究所與國(guó)立放射性科學(xué)研究所帶電粒子治療研究中心合作，在世界上首次成功地在激光等離子加速器上產(chǎn)生了高能量的單能電子束和超短脈沖。

高能量的單能電子束和超短脈沖，被認(rèn)為是進(jìn)行醫(yī)學(xué)治療包括癌癥的診斷和治療，和了解對(duì)與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)超快現(xiàn)象進(jìn)行控制的不可或缺的工具。到現(xiàn)在為止，利用基于高壓或微波在高精確度醫(yī)療，或在快化學(xué)反應(yīng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的常規(guī)加速器已經(jīng)產(chǎn)生了單能電子束。但是，常規(guī)加速器需要一臺(tái)像機(jī)場(chǎng)那樣大小帶高壓和具有巨大功率的巨型裝置，難以在醫(yī)療和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)全面的應(yīng)用。

激光等離子加速器所采用的原理與常規(guī)加速器迥然不同，需要將高能加速器徹底減小體積。在激光等離子體加速器中，電子束被等離子波的高電場(chǎng)加速，因?qū)τ呻姄舸┊a(chǎn)生的加速梯度缺乏限制，能夠形成加速梯度，即每個(gè)單位長(zhǎng)度的加速能量，為常規(guī)加速器的100 – 1000倍。這就能夠?qū)⒓铀倨鞯拈L(zhǎng)度縮短1/100到1/1000，許多國(guó)家都在從事研究與開發(fā)的工作。但是，以前在激光等離子體加速器方面的工作沒有能夠產(chǎn)生僅具有特殊能量的單能電子束。對(duì)醫(yī)學(xué)和工業(yè)應(yīng)用來(lái)說，需要給加速器提供一些附加的設(shè)備，像選擇需要的能量和阻止不必要的能量的過濾器，以限制電子束的能譜，如果束流由各種能量組成，為了切斷伴隨的高能輻射，對(duì)設(shè)備加以屏蔽。這難以為激光等離子體加速器的應(yīng)用減小系統(tǒng)的體積。 

他們將2太瓦（1太瓦=10¹²瓦）的激光脈沖輻照電子密度高達(dá)10²⁰cm^-3（相當(dāng)室溫時(shí)10個(gè)大氣壓空氣的密度），比以前的實(shí)驗(yàn)高一個(gè)數(shù)量級(jí)的等離子體50飛秒（1飛秒=10^-15秒），從0.5毫米長(zhǎng)的等離子體產(chǎn)生7MEV能量的單能電子束。表明電子被等離子體加速的證據(jù)已經(jīng)從診斷激光等離子體相互作用中獲得。到現(xiàn)在為止一直被認(rèn)為難以利用激光等離子體加速器產(chǎn)生單能電子束時(shí)，本研究獲得的成功向激光等離子體加速器的實(shí)際應(yīng)用邁出了一大步。 

背景

當(dāng)加速器不僅用于基礎(chǔ)科學(xué)研究而且用于醫(yī)學(xué)和工業(yè)應(yīng)用時(shí)，它們難于被人人和處處所用，原因是費(fèi)用高昂和需要有大型裝置。如果加速器在創(chuàng)新概念的基礎(chǔ)上運(yùn)行，那么就可能建造體積大大縮小了的高能加速器。

其中一個(gè)創(chuàng)新是激光等離子體加速器。在這種加速器中，常規(guī)系統(tǒng)中的金屬電極被電離氣體等離子體取代，更高頻率餓激光激勵(lì)波取代微波，被用來(lái)去掉電擊穿引起的限制。這就使得激光等離子體加速器形成相當(dāng)于常規(guī)設(shè)備100-1000倍的加速器梯度。為了產(chǎn)生等同加速能量的電子束，用這一方法可將加速器的長(zhǎng)度減小1/100–1/1000。

驅(qū)動(dòng)器激光器的體積也已經(jīng)減小，目前，在幾平方米的區(qū)域內(nèi)，就可安置一臺(tái)10太瓦的激光器。隨著加速器的小型化，其研制周期已經(jīng)縮短。期望造價(jià)大大降低，使用需求會(huì)迅速擴(kuò)大。

據(jù)報(bào)導(dǎo)，激光等離子體加速器的最近實(shí)驗(yàn)獲得的最高加速能量已達(dá)600 MeV，但輸出的電子束流為“白光”，包括從低端到更高限度能量的各個(gè)光譜。在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要通過選擇必要能量的束流和去掉不許要的束流來(lái)提供單能電子束。這樣不僅浪費(fèi)，而且還放射出危險(xiǎn)的高能次級(jí)輻射。

研發(fā)歷史

1993年以來(lái)，日本前電工技術(shù)研究所，現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）的能源技術(shù)研究所一直在從事超高流強(qiáng)脈沖與等離子體相互作難功用方面的基礎(chǔ)研究，旨在研制超小型化加速器。該項(xiàng)工作是根據(jù)文部省的核能研究計(jì)劃和合作項(xiàng)目進(jìn)行的。核能研究計(jì)劃的題目是《基于超高流強(qiáng)激光器的高能粒子和輻射源的研究》，合作的項(xiàng)目是《先進(jìn)緊湊型加速器研制計(jì)劃》，涉及現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）的能源技術(shù)研究所、國(guó)立放射學(xué)研究所、東京大學(xué)、高能加速器研究組織和日本原子能研究所。

研發(fā)詳細(xì)情況

激光等離子體加速器的工作原理是：激光脈沖射入到超聲氣體噴嘴后，激光脈沖通過，同時(shí)將氣體變?yōu)榈入x子體，并產(chǎn)生高速傳播的電子壓縮波（等離子體波）。等離子體波俘獲的負(fù)電子被推向前和加速，作為電子束放射出來(lái)（見圖1）。

圖1-激光等離子體加速器簡(jiǎn)圖和加速原理

然而，不可避免的是，很難用激光等離子體加速器獲得單能電子束，原因是加速能量取決于“沖浪”時(shí)間的選擇，或單個(gè)電子在等離子體波斜坡的位置而改變和輸出的束流由若干能譜的疊加構(gòu)成。

在現(xiàn)在進(jìn)行的研究中，單能束流的成功產(chǎn)生是因?yàn)? 太瓦的激光脈沖輻照電子密度比以前工作中用的高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的（即10²⁰電子/ 厘米³，相當(dāng)于室溫時(shí)大約10個(gè)以下大氣壓的空氣密度）等離子體50飛秒。單能電子束從長(zhǎng)約0.5毫米的等離子體獲得。還發(fā)現(xiàn)單能電子束具有7 MeV 的能量（圖2），只有當(dāng)?shù)入x子體的信號(hào)被認(rèn)出后才有這樣的能量。

圖2-用激光等離子體加速器在加速實(shí)驗(yàn)中得到的電子束能譜

圖3-等離子體的前向散射光光譜。約為1040毫微米的峰代表通過

等離子體波調(diào)制產(chǎn)生的一個(gè)分量。該分量只有在單能電子束加速時(shí)才出現(xiàn)。

由于利用能夠產(chǎn)生單能電子束的激光等離子體加速器容易提供高質(zhì)量的高能電子束，所以美國(guó)和世界上其他一些國(guó)家都在積極開展研發(fā)競(jìng)賽。2004年9月30日出版的《自然》雜志刊登了英國(guó)、美國(guó)和法國(guó)等三個(gè)研究小組的論文（Letters, pp 535,538,541）。這三個(gè)研究小組均利用超短和超強(qiáng)激光來(lái)在等離子體中生成極端電場(chǎng)，從而獲得了高質(zhì)量電子束。

此期《自然》封面的模擬圖（右圖）（來(lái)自美國(guó)的Geddes等人）所示為由一個(gè)激光脈沖的輻射壓力驅(qū)動(dòng)的一個(gè)等離子體密度變化，這個(gè)激光脈沖是由一個(gè)預(yù)先形成的等離子體通道引導(dǎo)的。該脈沖方向向上，不同顏色表示不同密度。與密度變化相關(guān)的是一個(gè)電場(chǎng)，它的運(yùn)動(dòng)就像一個(gè)快艇后面形成的浪花軌跡一樣。該電場(chǎng)比一個(gè)傳統(tǒng)射頻加速器中的電場(chǎng)要強(qiáng)數(shù)千倍。  

1.安裝在實(shí)驗(yàn)室里的強(qiáng)流激光器在高重復(fù)率的情況下，聚焦的流強(qiáng)能達(dá)到10¹⁹ W cm^-2以上。這樣的激光器能夠產(chǎn)生高能電子、質(zhì)子和g射線束流。當(dāng)激光脈沖通過等離子體傳播，或通過激光場(chǎng)和等離子體中的電子之間的直接相互作用時(shí)，通過破壞激光脈沖之后產(chǎn)生的大振幅相對(duì)論等離子體波產(chǎn)生相對(duì)論電子。但以前激光等離子體實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的電子束有很大的能散度，從而在潛在的應(yīng)用中限制了對(duì)它們的利用。

英國(guó)三所大學(xué)和一所美國(guó)大學(xué)組成的合作組對(duì)強(qiáng)激光等離子體相互作用中產(chǎn)生的電子束進(jìn)行的高分辨率能量測(cè)量結(jié)果表明，在特殊等離子體條件下，可以產(chǎn)生低發(fā)散度和小能散度（小于3%）的相對(duì)論電子束。單能特征正好就在破壞等離子體波所需的閾值之上在等離子體密度的電子能譜中被觀測(cè)到。雖然觀測(cè)到束流能量從注入一個(gè)脈沖到注入另一個(gè)脈沖有所不同，但在電子譜中看到它們是一致的。如果能夠解決能量的重復(fù)產(chǎn)生能力，那么就可以產(chǎn)生能量可調(diào)的超短單能電子束團(tuán)，從而極有希望將來(lái)研制出“桌式”粒子加速器。

詳見“Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laser–plasma interactions”

http://www.ee.ucla.edu/faculty/papers/mori_nature-sept04.pdf

2.四所美國(guó)大學(xué)/研究機(jī)構(gòu)和一所荷蘭大學(xué)組成的合作組示范了一臺(tái)激光加速器，它產(chǎn)生的電子束能散度為幾個(gè)百分點(diǎn)，發(fā)射度低，能量提高（10⁹個(gè)電子，80 MeV 以上）。他們的技術(shù)涉及使用預(yù)先形成的等離子體密度通道引導(dǎo)相對(duì)論性地強(qiáng)流激光器，因而產(chǎn)生更長(zhǎng)的傳播距離。示范的結(jié)果為緊湊型和可調(diào)高亮度的電子和輻射源開辟了道路。

詳見“High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding”

http://www.sc.doe.gov/ascr/nature02900.pdf

3.兩個(gè)法國(guó)研究機(jī)構(gòu)和一個(gè)德國(guó)研究機(jī)構(gòu)組成的合作組從超強(qiáng)激光等離子體加速實(shí)驗(yàn)中獲得了高質(zhì)量的電子束。粒子加速器用于廣泛的領(lǐng)域，從醫(yī)學(xué)到生物學(xué)到高能物理。常規(guī)加速器中的加速場(chǎng)限制在幾十個(gè)MeV m^-1，原因是結(jié)構(gòu)壁上的材料被擊穿。因此，產(chǎn)生高能粒子束流通常需要大型加速器和昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施。激光等離子體加速器因能夠維持大的電場(chǎng)（>100 GeV m-1）而被作為下一代緊湊型的加速器提了出來(lái)，但難于將它們有效地用于應(yīng)用，原因是相位空間中的電子隨機(jī)化。該合作組展示了此隨機(jī)化可以抑制，電子束的質(zhì)量可戲劇性地提高。在3 毫米的長(zhǎng)度內(nèi)，激光器驅(qū)動(dòng)俘獲和加速等離子體電子的等離子體泡。所產(chǎn)生的電子束準(zhǔn)直得非常棒，在170 MeV時(shí)準(zhǔn)單能電荷高達(dá)0.5納庫(kù)。

詳見“A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams”

http://www.infn.it/phin/papers/CARE-Pub-04-002.pdf

高能所科研處制作，內(nèi)容由侯儒成譯自日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）網(wǎng)、2004年8月30日出版的《自然》雜志等