粒子物理學領域獲得的一項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，更小巧。日本以及英國、美國和法國的研究小組利用超短和超強激光來在等離子體中生成極端電場，先后獲得了高質量電子束。這些相對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。

日本國立產業(yè)技術綜合研究所（Advanced Industrial Science and Technology，簡稱AIST）2004年8月4日發(fā)布消息：AIST的能源技術研究所與國立放射性科學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，被認為是進行醫(yī)學治療包括癌癥的診斷和治療，和了解對與化學反應有關超快現象進行控制的不可或缺的工具。到現在為止，利用基于高壓或微波在高精確度醫(yī)療，或在快化學反應中進行實驗的常規(guī)加速器已經產生了單能電子束。但是，常規(guī)加速器需要一臺像機場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)現場實現全面的應用。

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加速，因對由電擊穿產生的加速梯度缺乏限制，能夠形成加速梯度，即每個單位長度的加速能量，為常規(guī)加速器的100 – 1000倍。這就能夠將加速器的長度縮短1/100到1/1000，許多國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生僅具有特殊能量的單能電子束。對醫(yī)學和工業(yè)應用來說，需要給加速器提供一些附加的設備，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，對設備加以屏蔽。這難以為激光等離子體加速器的應用減小系統(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10²⁰cm^-3（相當室溫時10個大氣壓空氣的密度），比以前的實驗高一個數量級的等離子體50飛秒（1飛秒=10^-15秒），從0.5毫米長的等離子體產生7MEV能量的單能電子束。表明電子被等離子體加速的證據已經從診斷激光等離子體相互作用中獲得。到現在為止一直被認為難以利用激光等離子體加速器產生單能電子束時，本研究獲得的成功向激光等離子體加速器的實際應用邁出了一大步。 

背景

當加速器不僅用于基礎科學研究而且用于醫(yī)學和工業(yè)應用時，它們難于被人人和處處所用，原因是費用高昂和需要有大型裝置。如果加速器在創(chuàng)新概念的基礎上運行，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波取代微波，被用來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于常規(guī)設備100-1000倍的加速器梯度。為了產生等同加速能量的電子束，用這一方法可將加速器的長度減小1/100–1/1000。

驅動器激光器的體積也已經減小，目前，在幾平方米的區(qū)域內，就可安置一臺10太瓦的激光器。隨著加速器的小型化，其研制周期已經縮短。期望造價大大降低，使用需求會迅速擴大。

據報導，激光等離子體加速器的最近實驗獲得的最高加速能量已達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光譜。在實際應用中，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提供單能電子束。這樣不僅浪費，而且還放射出危險的高能次級輻射。

研發(fā)歷史

1993年以來，日本前電工技術研究所，現產業(yè)技術綜合研究所（AIST）的能源技術研究所一直在從事超高流強脈沖與等離子體相互作難功用方面的基礎研究，旨在研制超小型化加速器。該項工作是根據文部省的核能研究計劃和合作項目進行的。核能研究計劃的題目是《基于超高流強激光器的高能粒子和輻射源的研究》，合作的項目是《先進緊湊型加速器研制計劃》，涉及現產業(yè)技術綜合研究所（AIST）的能源技術研究所、國立放射學研究所、東京大學、高能加速器研究組織和日本原子能研究所。

研發(fā)詳細情況

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，同時將氣體變?yōu)榈入x子體，并產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電子被推向前和加速，作為電子束放射出來（見圖1）。

圖1-激光等離子體加速器簡圖和加速原理

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”時間的選擇，或單個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成。

在現在進行的研究中，單能束流的成功產生是因為2 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數量級的（即10²⁰電子/ 厘米³，相當于室溫時大約10個以下大氣壓的空氣密度）等離子體50飛秒。單能電子束從長約0.5毫米的等離子體獲得。還發(fā)現單能電子束具有7 MeV 的能量（圖2），只有當等離子體的信號被認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驗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

等離子體波調制產生的一個分量。該分量只有在單能電子束加速時才出現。

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

此期《自然》封面的模擬圖（右圖）（來自美國的Geddes等人）所示為由一個激光脈沖的輻射壓力驅動的一個等離子體密度變化，這個激光脈沖是由一個預先形成的等離子體通道引導的。該脈沖方向向上，不同顏色表示不同密度。與密度變化相關的是一個電場，它的運動就像一個快艇后面形成的浪花軌跡一樣。該電場比一個傳統(tǒng)射頻加速器中的電場要強數千倍。  

1.安裝在實驗室里的強流激光器在高重復率的情況下，聚焦的流強能達到10¹⁹ W cm^-2以上。這樣的激光器能夠產生高能電子、質子和g射線束流。當激光脈沖通過等離子體傳播，或通過激光場和等離子體中的電子之間的直接相互作用時，通過破壞激光脈沖之后產生的大振幅相對論等離子體波產生相對論電子。但以前激光等離子體實驗產生的電子束有很大的能散度，從而在潛在的應用中限制了對它們的利用。

英國三所大學和一所美國大學組成的合作組對強激光等離子體相互作用中產生的電子束進行的高分辨率能量測量結果表明，在特殊等離子體條件下，可以產生低發(fā)散度和小能散度（小于3%）的相對論電子束。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到。雖然觀測到束流能量從注入一個脈沖到注入另一個脈沖有所不同，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產生能力，那么就可以產生能量可調的超短單能電子束團，從而極有希望將來研制出“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

2.四所美國大學/研究機構和一所荷蘭大學組成的合作組示范了一臺激光加速器，它產生的電子束能散度為幾個百分點，發(fā)射度低，能量提高（10⁹個電子，80 MeV 以上）。他們的技術涉及使用預先形成的等離子體密度通道引導相對論性地強流激光器，因而產生更長的傳播距離。示范的結果為緊湊型和可調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

3.兩個法國研究機構和一個德國研究機構組成的合作組從超強激光等離子體加速實驗中獲得了高質量的電子束。粒子加速器用于廣泛的領域，從醫(yī)學到生物學到高能物理。常規(guī)加速器中的加速場限制在幾十個MeV m^-1，原因是結構壁上的材料被擊穿。因此，產生高能粒子束流通常需要大型加速器和昂貴的基礎設施。激光等離子體加速器因能夠維持大的電場（>100 GeV m-1）而被作為下一代緊湊型的加速器提了出來，但難于將它們有效地用于應用，原因是相位空間中的電子隨機化。該合作組展示了此隨機化可以抑制，電子束的質量可戲劇性地提高。在3 毫米的長度內，激光器驅動俘獲和加速等離子體電子的等離子體泡。所產生的電子束準直得非常棒，在170 MeV時準單能電荷高達0.5納庫。

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，內容由侯儒成譯自日本產業(yè)技術綜合研究所（AIST）網、2004年8月30日出版的《自然》雜志等