[科普中国]-尾流场加速器

加速器

加速器（accelerator）是用人工方法把带电粒子加速到较高能量的装置。利用这种装置可以产生各种能量的电子、质子、氘核、α粒子以及其它一些重离子。利用这些直接被加速的带电粒子与物质相作用，还可以产生多种带电的和不带电的次级粒子，像γ粒子、中子及多种介子、超子、反粒子等。当前世界上的加速器大多是能量在100兆电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，象化学、放射生物学、放射医学、固体物理等的基础研究以及工业照相、疾病的诊断和治疗、高纯物质的活化分析、某些工业产品的辐射处理、农产品及其他食品的辐射处理、模拟宇宙辐射和模拟核爆炸等。数年来还利用加速器原理，制成各种类型的离子注入机。以供半导体工业的杂质掺杂而取代热扩散的老工艺。使半导体器件的成品率和各项性能指标大大提高。很多老工艺不能实现的新型器件不断问世，集成电路的集成度因此而大幅度提高。1

简介随着激光技术的发展，产生脉冲时间小于1ps的超短脉冲、强度大于 W/c时的超强激光成为可能。当脉冲长度约为等离子体波长的强激光在稀薄等离子体中传播时，受纵向有质动力的作用，电子在激光脉冲前沿和后沿被激光脉冲排开，形成电荷分离，激发等离子体静电波。由于静电波在激光脉冲尾部被激发，所以激发的静电场被称为尾流场（Wakefield）。尾流场的振幅可达几十GeV/m，相速度等于激光的群速度。当等离子体密度很低时，它接近光速，所以少量电子被静电场捕获，动能可达到几十MeV。这就是激光尾流场加速（laser wake field acceleration，简称LWFA）的物理机制。

LWFA作为超热电子产生的重要机制，对实现“快点火”影响很大。近二十年来，对LWFA的特性和应用作的广泛的研究表明:它能增强高次谐波的产生;将电子束注入形成尾流场的等离子体，电子束可得到进一步的加速;尾流场能使入射激光的频率发生迁移;当入射激光为长脉冲的高斯光束时，产生的尾流场能改变等离子体的密度，从而改变等离子体的折射率，使激光沿传播方向发生周期性的自聚焦和发散，激光能量在入射方向上形成周期为等离子体波长的片状结构，这种现象称为“调制不稳定性（modulation instability）"，同时这种不稳定性抑制了高斯光束的散射，使激光在等离子体中的传播长度大大增加。2

激光尾波场加速粒子机制在激光加速电子机制中，现阶段国际上广泛重视和研究的主要有粒子束尾波场加速电子(Particle Weak Field Acceleration一PWFA)和激光尾波场加速电子(Laser Weak Field Acceleration一LWFA ) 。随着激光技术的不断发展，激光尾波场加速电子将受到越来越多的关注和应用。

激光尾波场加速电子的主要机制是:当激光脉冲在低于临界密度等离子体中传播时，由于电子质量小，激光光脉冲前沿的纵向有质动力会推动等离子体中的电子向前运动，使其偏离原来位置;等离子体中的离子由于质量大，将几乎保持不动。当激光脉冲超越电子后，由于正负电荷分离而产生的静电力会将电子往平衡位置拉，造成电子在空间的纵向振荡，形成电子等离子体波。由于该等离子波是由激光脉冲激发且存在于激光脉冲后方，被称为激光尾波。激光尾波的相速度与激光脉冲在等离子体中传播的群速度相同。电荷分离所形成的电场称为激光尾波场，该纵向电场向前传播相速度和激光脉冲在等离子体中传播的群速度相同。随着激光强度的增大，激发的尾波场的振幅也增大，产生的波形会逐渐畸变，最终产生波破。

由于等离子体本身是离化的离子与电子的集合体，不会因为强的尾波场而崩溃，因此激光尾波场的强度不会受通常材料破坏闽值的限制，仅受尾波场本身波破极限的限制，其幅度就是所谓的加速梯度，可以比通常的射频场加速器高三个量级。从二维上考虑尾波场，由于激光脉冲在横向上同样存在有质动力，因此电子在被激光向前推开同时会被激光脉冲向两侧排开，在横向上同样产生空间电荷分离场，并且在激光脉冲尾部留下一个大部分为离子的电子空穴，如图所示，即二维和三维上尾波场呈现空泡结构，相应的加速机制由Pukhov提出，称为“空泡加速”机制。

激光激发的纵向尾波场在空间上沿着传播方向呈现正向和反向交替的状态，由于电子带负电，正向的尾波场对电子起减速作用，是减速场;反向的尾波场对电子起加速作用，是加速场。如果尾波场为一个静止的电场，从简谐振荡可以知道大量电子会聚集在波节处;当尾波场具有很高相速度时，空间中的电子被激光脉冲所激发的尾波场所“捕获”，留在反向的尾波场中，跟随等离子体波以等离子体波的相速度一起运动时，由于等离子体波的相速度很高，并且尾波场自身很高的加速梯度，于是电子就能够被加速到高能状态。

相关问题利用激光尾波场加速电子，还需要考虑下面几个问题。一方面要有足够多的电子满足加速捕获条件。通常刚开始进入加速场被加速的电子速度小于尾波场的相速度，如果经过半个周期的加速场的加速后，电子的速度仍没有赶上尾波场的相速度，则电子将进入减速场，最终电子将赶不上尾波场，就不能被捕获;然而当电子经过半个周期的加速场的加速后，电子的速度达到了尾波场的相速度，则电子将留在加速场中，电子在尾波场中的相位保持相对恒定，跟随尾波场继续被加速，这样的电子即称为被捕获。被捕获的电子才能够被持续加速到高能量。可见，满足捕获条件的电子必须具有一定的正向初速度。通常发生波破时刻，尾波场会将部分能量传给电子，这部分电子就获得较高的速度，容易进入加速场中被捕获。另外可以通过增大电子的初速度，减小尾波的相速度与电子初速度的差值，提高电子注入和捕获。或者增强激发的尾波场振幅，提高等离子体密度，使得电子在加速场中尽可能快的获得能量，赶上尾波相速度。 另一方面为了得到高能量的电子，必须使电子加速有足够长的加速距离。3