[科普中國]-激光加速器

介紹

粒子加速器是我們挑戰(zhàn)微粒世界的得力工具，借助于它讓我們發(fā)現(xiàn)了許多“基本”粒子，包括重子、介子、輕子和各種共振態(tài)粒子。絕大部分新超鈾元素也是通過粒子加速器發(fā)現(xiàn)的。粒子加速器還為我們合成了上千種人工放射性核素，這些東西在科學(xué)研究、生產(chǎn)建設(shè)和保障人們身體健康方面發(fā)揮著重大作用。接下來，人們還將建造性能更優(yōu)異、能量更高的粒子加速器，挑戰(zhàn)微粒世界一定會獲得更輝煌的成就。

傳統(tǒng)的加速器是根據(jù)帶電粒子(比如電子、質(zhì)子、離子等)在電場中受到的作用力而得到加速，提高粒子能量的。加速器提供的電場強度越大，帶電粒子能夠獲得的能量越大。但是設(shè)備占地很大、成本很高。

物理學(xué)家一直在探索新的粒子加速原理，試圖減少加速器的體積和長度．以及降低經(jīng)費投入。光波是高頻率的電磁波，與電子有強烈的交互作用?，F(xiàn)在的激光技術(shù)能夠獲得很強的激光束，能夠提供電場強度很高的電場，而且可獲得比傳統(tǒng)加速器更高的加速梯度，從而為縮短加速的長度帶來可能。這個特點自然吸引著科學(xué)家利用激光的力來加速粒子，即制造激光加速器，并提出了各種設(shè)想。

原理及分類歸結(jié)起來，現(xiàn)在打算制造的激光加速器大致可分為兩類：一是激光在氣體中或等離子體中傳播產(chǎn)生激光尾場并加速粒子；另一是直接利用激光束的推動力加速粒子。

激光尾場加速器用激光加速粒子這個設(shè)想早在激光發(fā)明的初期就已經(jīng)提出來了。用激光尾流場來加速電子的設(shè)想是在1979年由Tajima T和Dawson J M提出的。由于激光尾流場的電場強度可以達(dá)到V/m，因此將具有一定初始能量的電子注入到等離子體波后，有可能把電子加速到很高的能量。隨后有很多實驗研究，基本證實了存在這種加速機制。

激光束直接加速粒子在真空室中用激光束的推動力直接加速粒子，實際上就是幾種構(gòu)造激光束的縱向加速電場方法。

（1）對稱交叉?zhèn)鞑ゼす馐铀倭Ｗ?/p>

激光束的電場和磁場與激光束傳播方向垂直，所以，如果讓粒子的運動方向與激光束的傳播方向相同，那么粒子就得不到激光束的電場加速。但是，如果激光束不是沿粒子束運動方向傳播，而是與粒子運動軸向交叉成一個角度入射．那么，根據(jù)力學(xué)分解知識我們知道．此時在粒子運動方向上存在一個光電場分量．亦即粒子受到了一個縱向作用力。當(dāng)然，這時候粒子也同時受到橫向光電場作用力．影響著加速器質(zhì)量。如果把多束激光對稱地從不同方向入射到粒子束。那么這些橫向作用力便彼此抵消，在沿粒子運動軸線上合成一個軸向加速電場，粒子接受沿軸向作用力加速。由于幾何聚焦作用，場強會隨離軸距離增大而減小。

（2）激光近場加速

強激光束投射到金屬光柵或者平滑的電介質(zhì)表面時，在它們的表面附近會產(chǎn)生相速小于光速傳播速度的加速場．場的方向是軸向．其強度沿離開表面距離呈指數(shù)形式迅速陴低．一般來說在與表面距離為波長的量級時．加速場的強度便衰減為表面值的1/e，即大約為1/3。因此，被加速的粒子必須沿物質(zhì)結(jié)構(gòu)表面運動，這樣一來加速器的接收度就變得很小。另一方面，最高場強是在物質(zhì)結(jié)構(gòu)表面。因此，可用于加速的場強也就受到結(jié)核發(fā)生電場擊穿的限制，加速電場的強度不能很大。這兩方面是近場加速方案的根本性弱點。

（3）激光反向自南電子加速

自由電子激光器是利用相對論電子群發(fā)射相干輻射的激光器，一個由空間周期交替排布磁鐵組成的系統(tǒng)(稱擺動器)，當(dāng)一束相對論電子在其中通過時會產(chǎn)生輻射。電子快速通過擺動器，站在電子的立場來看等效于它受到一個迎面而來的電磁場作用，它本身是在做振蕩運動。如果電子振蕩運動的位相與擺動器電磁場方向相反，電子做阻尼振蕩，它的動能將轉(zhuǎn)換為輻射能，一束通過擺動器的激光獲得能量，強度不斷獲得增強，這便是自由電子激光；如果我們通過調(diào)整，把它們之間的相位關(guān)系變成相同，那么電子便被通過擺動器的激光束加速。

應(yīng)用情況目前激光加速器還處于探索階段，還有許多復(fù)雜的技術(shù)問題有待解決。但是激光加速器無疑是加速器發(fā)展的方向，有著巨大的生命力。人們提出了不同機制的激光加速器，比如：光柵加速器，契倫柯夫激光加速器，厘米波高梯度加速器，拍頻波加速器，逆自由電子激光加速器，雙波加速器等。除以上列舉的激光加速器之外，還有其他一些機制的加速器，并且隨著一些新原理的出現(xiàn)，激光加速器概念的內(nèi)涵還在擴展。1