[科普中國]-尾流場加速器

加速器

加速器（accelerator）是用人工方法把帶電粒子加速到較高能量的裝置。利用這種裝置可以產(chǎn)生各種能量的電子、質(zhì)子、氘核、α粒子以及其它一些重離子。利用這些直接被加速的帶電粒子與物質(zhì)相作用，還可以產(chǎn)生多種帶電的和不帶電的次級粒子，像γ粒子、中子及多種介子、超子、反粒子等。當(dāng)前世界上的加速器大多是能量在100兆電子伏以下的低能加速器，其中除一小部分用于原子核和核工程研究方面外，大部分用于其他方面，象化學(xué)、放射生物學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、固體物理等的基礎(chǔ)研究以及工業(yè)照相、疾病的診斷和治療、高純物質(zhì)的活化分析、某些工業(yè)產(chǎn)品的輻射處理、農(nóng)產(chǎn)品及其他食品的輻射處理、模擬宇宙輻射和模擬核爆炸等。數(shù)年來還利用加速器原理，制成各種類型的離子注入機(jī)。以供半導(dǎo)體工業(yè)的雜質(zhì)摻雜而取代熱擴(kuò)散的老工藝。使半導(dǎo)體器件的成品率和各項(xiàng)性能指標(biāo)大大提高。很多老工藝不能實(shí)現(xiàn)的新型器件不斷問世，集成電路的集成度因此而大幅度提高。1

簡介隨著激光技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生脈沖時(shí)間小于1ps的超短脈沖、強(qiáng)度大于 W/c時(shí)的超強(qiáng)激光成為可能。當(dāng)脈沖長度約為等離子體波長的強(qiáng)激光在稀薄等離子體中傳播時(shí)，受縱向有質(zhì)動(dòng)力的作用，電子在激光脈沖前沿和后沿被激光脈沖排開，形成電荷分離，激發(fā)等離子體靜電波。由于靜電波在激光脈沖尾部被激發(fā)，所以激發(fā)的靜電場被稱為尾流場（Wakefield）。尾流場的振幅可達(dá)幾十GeV/m，相速度等于激光的群速度。當(dāng)?shù)入x子體密度很低時(shí)，它接近光速，所以少量電子被靜電場捕獲，動(dòng)能可達(dá)到幾十MeV。這就是激光尾流場加速（laser wake field acceleration，簡稱LWFA）的物理機(jī)制。

LWFA作為超熱電子產(chǎn)生的重要機(jī)制，對實(shí)現(xiàn)“快點(diǎn)火”影響很大。近二十年來，對LWFA的特性和應(yīng)用作的廣泛的研究表明:它能增強(qiáng)高次諧波的產(chǎn)生;將電子束注入形成尾流場的等離子體，電子束可得到進(jìn)一步的加速;尾流場能使入射激光的頻率發(fā)生遷移;當(dāng)入射激光為長脈沖的高斯光束時(shí)，產(chǎn)生的尾流場能改變等離子體的密度，從而改變等離子體的折射率，使激光沿傳播方向發(fā)生周期性的自聚焦和發(fā)散，激光能量在入射方向上形成周期為等離子體波長的片狀結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為“調(diào)制不穩(wěn)定性（modulation instability）"，同時(shí)這種不穩(wěn)定性抑制了高斯光束的散射，使激光在等離子體中的傳播長度大大增加。2

激光尾波場加速粒子機(jī)制在激光加速電子機(jī)制中，現(xiàn)階段國際上廣泛重視和研究的主要有粒子束尾波場加速電子(Particle Weak Field Acceleration一PWFA)和激光尾波場加速電子(Laser Weak Field Acceleration一LWFA ) 。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光尾波場加速電子將受到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。

激光尾波場加速電子的主要機(jī)制是:當(dāng)激光脈沖在低于臨界密度等離子體中傳播時(shí)，由于電子質(zhì)量小，激光光脈沖前沿的縱向有質(zhì)動(dòng)力會推動(dòng)等離子體中的電子向前運(yùn)動(dòng)，使其偏離原來位置;等離子體中的離子由于質(zhì)量大，將幾乎保持不動(dòng)。當(dāng)激光脈沖超越電子后，由于正負(fù)電荷分離而產(chǎn)生的靜電力會將電子往平衡位置拉，造成電子在空間的縱向振蕩，形成電子等離子體波。由于該等離子波是由激光脈沖激發(fā)且存在于激光脈沖后方，被稱為激光尾波。激光尾波的相速度與激光脈沖在等離子體中傳播的群速度相同。電荷分離所形成的電場稱為激光尾波場，該縱向電場向前傳播相速度和激光脈沖在等離子體中傳播的群速度相同。隨著激光強(qiáng)度的增大，激發(fā)的尾波場的振幅也增大，產(chǎn)生的波形會逐漸畸變，最終產(chǎn)生波破。

由于等離子體本身是離化的離子與電子的集合體，不會因?yàn)閺?qiáng)的尾波場而崩潰，因此激光尾波場的強(qiáng)度不會受通常材料破壞閩值的限制，僅受尾波場本身波破極限的限制，其幅度就是所謂的加速梯度，可以比通常的射頻場加速器高三個(gè)量級。從二維上考慮尾波場，由于激光脈沖在橫向上同樣存在有質(zhì)動(dòng)力，因此電子在被激光向前推開同時(shí)會被激光脈沖向兩側(cè)排開，在橫向上同樣產(chǎn)生空間電荷分離場，并且在激光脈沖尾部留下一個(gè)大部分為離子的電子空穴，如圖所示，即二維和三維上尾波場呈現(xiàn)空泡結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的加速機(jī)制由Pukhov提出，稱為“空泡加速”機(jī)制。

激光激發(fā)的縱向尾波場在空間上沿著傳播方向呈現(xiàn)正向和反向交替的狀態(tài)，由于電子帶負(fù)電，正向的尾波場對電子起減速作用，是減速場;反向的尾波場對電子起加速作用，是加速場。如果尾波場為一個(gè)靜止的電場，從簡諧振蕩可以知道大量電子會聚集在波節(jié)處;當(dāng)尾波場具有很高相速度時(shí)，空間中的電子被激光脈沖所激發(fā)的尾波場所“捕獲”，留在反向的尾波場中，跟隨等離子體波以等離子體波的相速度一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于等離子體波的相速度很高，并且尾波場自身很高的加速梯度，于是電子就能夠被加速到高能狀態(tài)。

相關(guān)問題利用激光尾波場加速電子，還需要考慮下面幾個(gè)問題。一方面要有足夠多的電子滿足加速捕獲條件。通常剛開始進(jìn)入加速場被加速的電子速度小于尾波場的相速度，如果經(jīng)過半個(gè)周期的加速場的加速后，電子的速度仍沒有趕上尾波場的相速度，則電子將進(jìn)入減速場，最終電子將趕不上尾波場，就不能被捕獲;然而當(dāng)電子經(jīng)過半個(gè)周期的加速場的加速后，電子的速度達(dá)到了尾波場的相速度，則電子將留在加速場中，電子在尾波場中的相位保持相對恒定，跟隨尾波場繼續(xù)被加速，這樣的電子即稱為被捕獲。被捕獲的電子才能夠被持續(xù)加速到高能量?？梢?，滿足捕獲條件的電子必須具有一定的正向初速度。通常發(fā)生波破時(shí)刻，尾波場會將部分能量傳給電子，這部分電子就獲得較高的速度，容易進(jìn)入加速場中被捕獲。另外可以通過增大電子的初速度，減小尾波的相速度與電子初速度的差值，提高電子注入和捕獲?；蛘咴鰪?qiáng)激發(fā)的尾波場振幅，提高等離子體密度，使得電子在加速場中盡可能快的獲得能量，趕上尾波相速度。 另一方面為了得到高能量的電子，必須使電子加速有足夠長的加速距離。3