上帝粒子“希格斯”的發(fā)現(xiàn)成就了2013年諾貝爾物理學(xué)獎的歸屬，高能粒子加速器 LHC(圖1)再一次成為了人們視線的焦點。粒子加速器不僅是高能粒子物理和核物理等高端物理研究的基礎(chǔ)工具，而且加速器產(chǎn)生的多波段輻射在材料、化學(xué)、生物和醫(yī)療等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

 

圖 1   歐洲大型強子對撞機（LHC）與北京大學(xué)超小型激光等離子體加速器（CLAPA）

 

傳統(tǒng)粒子加速器由于受到材料電離擊穿閾值的限制，其加速梯度被限制在100 MV/m。費米曾斷言，若用傳統(tǒng)的加速器把粒子能量加速到PeV量級即1015電子伏特，加速器的周長需繞地球一周！因此龐大的占地面積和昂貴的造價成為了制約傳統(tǒng)加速器向更高能量發(fā)展的巨大瓶頸，于是找到突破傳統(tǒng)加速梯度限制的新加速機制迫在眉睫。

 

激光等離子體加速LPA是1979年由田島俊樹和道森提出的全新加速機制。近些年來，基于此而建造激光加速器成為激光等離子體領(lǐng)域科學(xué)家們的目標(biāo)。例如，北京大學(xué)超小型激光等離子體加速器CLAPA便以在一間中等教室大小的房間內(nèi)，獲得能量高達100 MeV 的質(zhì)子和 GeV 的電子為目標(biāo)。激光加速器基于什么樣的原理？發(fā)展到了哪個階段？面臨著什么樣的挑戰(zhàn)？本文將逐一揭曉。

 

激光等離子體加速器的原理

 

自從1960年梅曼發(fā)明激光技術(shù)以來，激光以其單色性好、相干性好和方向性好等特點成為現(xiàn)代人類生活和科學(xué)研究中有巨大價值的光源。在過去的50多年里，人們一直在技術(shù)上追求更高強度的激光。1985年莫羅等人提出的超短脈沖啁啾放大(CPA)技術(shù)克服了激光器中放大介質(zhì)的損傷閾值限制，把激光的強度提高了6個量級以上。目前，世界先進的超短超強激光器產(chǎn)生的激光，空間尺度小到μm(10-6m)量級， 脈沖短至fs(10- 15s)量級，最高光強可達1022 W/cm2。 現(xiàn)在正在進行的歐洲ELI工程計劃致力于將激光強度提高至1024 W/cm2。

 

當(dāng)激光強度大于1014 W/cm2 時，絕大多數(shù)物質(zhì)都會被激光的電場電離，形成等離子體。等離子體是由處在非束縛態(tài)的帶電粒子組成的多粒子體系，它與固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)一起構(gòu)成自然界物質(zhì)的四種基本形態(tài)。宇宙中99%的物質(zhì)都是以等離子態(tài)存在的。超短超強激光與等離子體相互作用能夠激發(fā)等離子體的集體運動，恰當(dāng)?shù)牡入x子集體運動能夠使等離子體中的帶電粒子獲得極高的能量。激光的光強與等離子體中自由電子的密度是激光與等離子相互作用的兩個重要參數(shù)。對于波長為一微米的激光，當(dāng)其光強大于1.37 ×1018W/cm2時，電子在激光場內(nèi)的振動速度將接近光速，同時會被沿激光傳播方向推動。這一光強被稱為相對論光強閾值。如果等離子體中的自由電子密度超過1.1 × 1021 cm-3 時，對于波長為一微米的激光，激光會被反射； 而當(dāng)自由電子密度低于這一密度值時，激光能夠在等離子體中傳播，因此這個密度值被稱為臨界密度。需要注意的是，相對論光強閾值與激光的波長成反比，而臨界密度與激光波長的平方成反比。加速不同種類的帶電粒子，所采用的等離子體集體運動的模式有很大的不同，下面就以電子和質(zhì)子為例，介紹激光等離子體加速應(yīng)用最廣泛的兩種加速原理。

 

當(dāng)相對論光強的激光在低于臨界密度的等離子體中傳播時，等離子體中的自由電子會被激光推動，并在激光通過后受靜電回復(fù)力的作用發(fā)生局域的振蕩，產(chǎn)生周期性變化的電場。隨著激光的傳播，激光的后方會不斷產(chǎn)生這種周期性變化的電場，這種電場尾隨著激光傳播，故被稱作尾場。在通常用于加速的等離子體密度(1017 ∼ 1019 cm-3 )下，尾場的幅值高達幾十到幾百 GV/m。尾場的傳播速度略低于真空中光速，自由電子密度越低，尾場的速度越接近光速。由于尾場是周期性變化的，則對電子既有加速作用也有減速作用。為了讓電子能夠受到較長時間的加速作用，電子的運動速度和尾場的傳播速度要近乎相等。為了便于區(qū)分，我們通常將進行局域靜電振蕩且形成尾場的電子稱作背景電子，而將與尾場一起運動受到加速的電子稱為加速電子。如何得到加速電子即電子的注入問題是激光等離子體加速器中的一個熱點問題。人們提出了很多種注入機制來得到加速電子：將背景電子轉(zhuǎn)化為加速電子的自注入；利用高Z原子內(nèi)殼層電子電離的電離注入；利用等離子體密度不均勻分布的密度梯度注入等等。通過注入，加速電子以一定的初速度保持跟尾場共同運動，便能在運動中持續(xù)獲得加速，最終電子的速度超過尾場的速度慢慢進入到尾場減速的部分，停止加速。因此激光尾場加速電子的過程為：1. 激光在等離子體中形成尾場；2. 加速電子注入；3. 加速電子持續(xù)加速；4. 加速電子進入減速區(qū)前引出。

 

圖 2   激光尾場加速示意圖

 

質(zhì)子的靜止質(zhì)量約是電子的兩千倍，電子可以很容易注入到尾場中，而質(zhì)子卻很難追上尾場的速度。通常對質(zhì)子加速采用的是高于臨界密度的等離子體中的集體運動模式。由于激光器技術(shù)的限制，激光脈沖產(chǎn)生之前會有持續(xù)時間在皮秒到納秒的預(yù)脈沖。當(dāng)激光與固體材料(靶)作用時，預(yù)脈沖會先作用到材料前表面上，產(chǎn)生預(yù)電離和膨脹，在材料的前表面生成具有類似指數(shù)密度分布的預(yù)等離子體。當(dāng)激光的主脈沖到來之后，預(yù)等離子體中的電子被迅速加熱，并向材料的后表面?zhèn)鬏?。材料的后表面由于負電荷富于正電荷，產(chǎn)生電荷分離場，被稱為鞘層電場。鞘層電場對質(zhì)子起加速作用，并且在時間和空間上變化比較緩慢，有利于材料后表面的質(zhì)子(通常來自材料吸附的水蒸氣和含氫的油污)獲得較長時間的加速。因此靶后鞘層電場加速的過程為：1.預(yù)脈沖產(chǎn)生預(yù)等離子體；2.主脈沖產(chǎn)生熱電子；3.熱電子傳播到靶后形成鞘層電場；4.靶后質(zhì)子被鞘層電場加速。

 

 

圖 3   靶后鞘層電場加速示意圖

 

等離子體中的集體運動模式多種多樣，這里我們只介紹了其中最常見的兩種加速機制。對于電子加速，還有激光直接加速、拍頻波加速、自調(diào)制尾場加速以及束流驅(qū)動尾場加速等。對于離子加速，還有光壓加速、沖擊波加速、相對論自透明加速等。

 

激光等離子體加速器的現(xiàn)狀

 

激光等離子體加速器目前還處在實驗研究的階段，距離實際應(yīng)用尚有一定的距離。但是科研工作者在不斷的努力下，已經(jīng)取得了令人矚目的進展。

 

在20世紀90年代末期，高功率鈦藍寶石激光的出現(xiàn)使激光的功率顯著提高，脈沖長度也縮短到了25fs ~ 50fs，激光電子加速隨之進入到標(biāo)準的激光尾波場加速階段。2002年，巴黎綜合理工學(xué)院 LOA實驗室的科學(xué)家將脈沖長度35fs，強度3×1018 W/cm2 的激光聚焦到3mm的噴嘴氣體上，將加速電子能量提高到了200 MeV，它標(biāo)志著 LPA 電子的能量正式進入到百MeV 領(lǐng)域。從 2004 年至今，大多數(shù)的LPA實驗出于空泡機制,而產(chǎn)生的準單能高能電子的結(jié)果更是層出不窮。2004年法國的LOA、 英國的RAL 和美國的 LOASIS 三個實驗室分別在各自的激光系統(tǒng)上進行了空泡加速實驗，其結(jié)果同時發(fā)表在當(dāng)年九月的 Nature 雜志上，引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。這些實驗最重要的意義是得到了準單能和準直的電子束，為激光尾場加速電子束的應(yīng)用打開了希望之門。從2006年至今，各國科學(xué)家都在為獲得高能量的電子束而努力。2014年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的科研工作者們利用特殊設(shè)計的放電毛細管能夠產(chǎn)生獨特的等離子體密度分布，從而導(dǎo)致激光傳播軸線上的密度比外圍的密度低。這樣的等離子體密度分布對激光有導(dǎo)引作用，能夠使得激光傳播幾個厘米后光強也不會下降太多。通過利用 9cm長的放電毛細管來導(dǎo)引峰值功率高達300TW(1012 W)的激光，他們得到了中心能量高達4.2GeV，能散6%的電子束。這是目前激光尾場加速中獲得的最高電子能量記錄。2016年，他們又創(chuàng)造性地實現(xiàn)兩束激光級聯(lián)加速，即第一束激光加速得到的電子束注入第二束激光形成的尾場獲得二次加速。雖然目前實驗中二次加速獲得的能量不高，但這是向著實現(xiàn)幾十級甚至上百級級聯(lián)加速獲得百 GeV 高能電子束邁出的重要一步。

 

圖 4   激光等離子體加速得到 4.2 GeV 電子束

 

我國在激光尾場加速上起步較晚，但近兩年也取得了不俗的成果。2015年上海交通大學(xué)通過自截斷電離注入的方式得到了能量超過 1GeV 的準單能電子束。清華大學(xué)曾在實驗中獲得了絕對能散小于 1 MeV 的電子束。2016年上海光機所采用獨特的兩級氣體噴嘴，得到了六維相空間亮度可以媲美傳統(tǒng)直線加速器的單能電子束。

 

激光離子加速發(fā)展晚于電子加速，目前也處于蓬勃發(fā)展中。2000年美國利弗莫爾國家實驗室的科學(xué)家將超強激光打在金屬薄膜靶上，在靶背法線方向得到最高能量達58 MeV 的質(zhì)子束引起了廣泛關(guān)注。這次實驗中得到的加速離子的能譜特性并不好，基本呈現(xiàn)出指數(shù)下降譜的特征。降低離子束的能散，獲得準單能的離子束成為激光離子加速的重要突破方向。2006年德國耶拿大學(xué)IOQ 實驗室在 3×1019W/cm2 的激光強度下，利用雙層靶(5 微米厚的鈦膜，附著0.5微米厚的聚甲基丙烯酸甲脂獲得了中心能量為1.2 MeV，能散度為25%的準單能質(zhì)子束。同年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室也利用復(fù)合靶得到了能散在 17%，能量在3MeV/u 的準單能離子束。這兩個工作同時發(fā)表于當(dāng)年一月的 Nature 雜志上。2016年德國亥姆霍茲重離子研究中心的科研工作者將能量高達200J，脈沖長度 500 fs 的激光聚焦到 0.9 μm 厚的固體靶上，得到了能量高達 85 MeV的質(zhì)子束。而同年，來自韓國光州科學(xué)技術(shù)院的科研工作者利用能量為27J，脈沖長度 30fs 與15 nm厚的固體靶相互作用，得到了93MeV 的高能質(zhì)子。2015年，北京大學(xué)與光州科學(xué)技術(shù)院合作在光州得到了能量接近50MeV 的質(zhì)子束和高達600 MeV 的碳離子束。上海交通大學(xué)、上海光機所、中科院物理所、中國工程物理研究院和北京大學(xué)都曾在國內(nèi)的激光器上獲得過能量從幾MeV 到十幾MeV 的質(zhì)子。

 

近幾年，激光等離子體加速器雖然取得了長足的進步，但也面臨著一些問題與挑戰(zhàn)。對于電子加速而言，目前電子束的能量已經(jīng)滿足如自由電子激光等應(yīng)用的需求，但電子束的其他品質(zhì)，如能散、電量和發(fā)射度等，還達不到這些應(yīng)用的要求，因此阻礙了激光尾場加速電子的實際應(yīng)用。對于離子加速而言，由于離子能量低，還不能滿足癌癥治療的要求，僅能開展一些對離子能量需求較低的應(yīng)用，比如生物、材料輻照等。

 

展 望

 

相比于傳統(tǒng)加速器，激光等離子體加速器具有加速梯度高、尺寸小以及造價低的特點。激光等離子體加速器未來至少在以下三個方向大有用武之地。

 

01

自由電子激光

 

自由電子激光是高能電子在波蕩器中扭擺產(chǎn)生的相干X射線激光。自由電子激光在化學(xué)、材料、原子物理和生物等研究領(lǐng)域、醫(yī)療以及工業(yè)上都有著重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)用于自由電子激光的直線加速器長度都在幾百到幾千米，同時造價昂貴。激光等離子體加速器能夠很好地解決自由電子激光的尺寸和造價問題，促進自由電子激光的普及。 同時，激光等離子體加速器的束流具有與傳統(tǒng)加速器不同的特點，可以促進自由電子激光的發(fā)展。

 

02

對撞機

 

為了探索更高能量下的粒子特性，對撞機的能量不斷提高，尺寸也越來越大、造價越來越高。而使用激光等離子體加速器可以提高加速梯度，顯著減小對撞機的尺寸，并朝更高能量邁進。來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室的科學(xué)家曾提出過基于激光等離子體加速器的下一代直線正負電子對撞機計劃。他們設(shè)想將100級激光等離子體加速器級聯(lián)起來，每一級的能量增益達到10 GeV，最終的對撞能量將高達TeV。除了加速電子，通過轉(zhuǎn)換靶得到的正電子也能夠被加速到 TeV。這樣高能量的正負電子對撞機將會為我們打開新物理的大門。

 

 

圖 5   激光等離子體驅(qū)動 TeV 對撞機設(shè)想

 

03

小型化癌癥放療裝置

 

高能量的質(zhì)子和重離子在癌癥治療上有著重要的應(yīng)用。目前國內(nèi)僅有不到五家質(zhì)子或重離子癌癥治療裝置，而全國每年有上百萬癌癥患者迫切需要得到治療。激光等離子體加速器有望降低癌癥治療裝置的造價和尺寸，能夠讓質(zhì)子和重離子癌癥治療得到普及，造福社會。

 

在科學(xué)家與工程師的不斷努力下，激光等離子體加速器將繼續(xù)取得突破，以上的設(shè)想都將可能變?yōu)楝F(xiàn)實，激光等離子體加速器將大有用武之地。

 

本文選自《現(xiàn)代物理知識》2017年第5期    時光摘編