等離子體加速器原理

　　強激光脈沖在等離子體中(簡單起見，電離氣體)傳輸時，激光脈沖的有質(zhì)動力將把等離子體中的自由電子排出，當電子偏離其初始位置時，將被原位置處的正離子拉回并做往復振蕩，電子與離子之間的相對運動形成了縱向的電子密度波“等離子體尾場”如同運動的船只形成的水波，圖13所示分別為線性和非線性等離子體尾波場形成的過程。由于尾場是以激光脈沖速度傳播的，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，等離子體波和加速電場的幅度均正比于激光強度。在高強度下(a0>~1)，相對論電子質(zhì)量增加下降等離子體的頻率，增加等離子體波的波長并引起尾場形成鋸齒般的輪廓。由于激光強度在橫向方向的變化，如圖13(b)所示等離子體波波前呈現(xiàn)鋸齒狀。

　　Tajima和Dawson在1979年撰寫了先驅(qū)性的論文(Phys. Rev. Lett. 43， 267~270 (1979))，文中提出了等離子體加速器的原理。核心概念即通過強激光脈沖激發(fā)相對論等離子體波，脈沖持續(xù)時間小于等離子體周期——“激光尾場加速器”(LWFA)。

　　等離子體激波加速(PBWA)

　　該方案為兩束相向傳輸?shù)募す饷}沖，波數(shù)和頻率分別為k1，2，ω1，2，調(diào)制激光場為cos(1/2(Δkz-Δωt))。如圖14(b)所示，當Δω=ωp時，等離子體波將共振激發(fā)。 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激光脈沖將高頻射線槍產(chǎn)生的2.1MeV的電子加速到9.1MeV(Phys. Rev. Lett. 70， 37~40(1993))。PBWA機制本身存在著局限性：隨著等離子體波幅度的增長，電子相對論質(zhì)量的增加導致等離子體頻率下降，導致激波失諧以及等離子體波的幅度飽和，該效應限制了該方案的進展。

　　自調(diào)制尾場加速(SM-LWFA)

　　Andreev和Krall首次理論上提出了自調(diào)制激光尾場加速方案。激光脈沖長度cτ>>λp，如圖14(c)所示，在激光和等離子體作用中脈沖被調(diào)制在等離子體頻率。調(diào)制主要由以下兩種機制引起：1) 激光脈沖前端所激發(fā)的等離子體波在低(高)軸密度的聚焦(散焦)；2) 驅(qū)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，皮秒脈沖寬度，能量達到幾十焦耳的激光同密度為1019cm-3等離子體相互作用。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沖離子束來驅(qū)動等離子體波的方法，研究發(fā)現(xiàn)等離子體中電子完全被從軸上區(qū)域排開，從而形成了如圖14(b)所示的理想電子束加速的場結(jié)構。Pukhov和Meyer-ter-Vehn(Appl. Phys. B 74， 355~361(2002))。研究了超強超短激光脈沖作用下尾場的形成，結(jié)果表明空泡尾部的部分電子能夠被捕獲，更為重要的是，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于2004年，帝國理工大學，勞倫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(jié)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(jié)果(Nature 431，535~538(2004))電子峰值能量86MeV，能散度2%。

　　波導等離子體加速

　　牛津大學的Hooker等設計一種產(chǎn)生等離子體通道的方法：直徑200~300μm，長度為幾十毫米的寶石或者鋁制毛細管，兩端開口，內(nèi)部可充氦氣，如圖16(a)所示，包含了一個控制電子注入的氣體噴嘴，通過泵浦毛細管放電使其內(nèi)部形成等離子體，并在軸線上形成低密度區(qū)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))。

等離子體加速器應用

　　激光等離子體加速器在驅(qū)動產(chǎn)生強輻射源方向有重大優(yōu)勢，如圖17所示，將電子束通過磁波蕩器時，將產(chǎn)生可見光及軟X射線波段輻射，F(xiàn)uchs等(Nature Phys. 5， 826~829(2009))將200MeV的電子通過波蕩器產(chǎn)生了17nm和9nm波長的輻射，峰值亮度為1.3×1017s-1mard-2mm-20.1%BW-1。此外，激光尾場內(nèi)橫向電場對電子振蕩的調(diào)制作用也將發(fā)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(fā)射1~100keV的X射線輻射，并在10keV處產(chǎn)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(fā)展，激光等離子體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系統(tǒng)的研發(fā)，更需要等離子體物理，粒子物理以及傳統(tǒng)直線加速器科學科研小組之間的相互協(xié)作和共同努力。