孫書營，黃永盛，湯秀章

（中國原子能科學研究院 高功率準分子激光實驗室，北京 102413）

0 引言

近年來激光技術發(fā)展迅猛，超短超強激光的功率密度已經(jīng)達到1022W/cm2，脈沖寬度已經(jīng)可以降低到10-17s 量級。超短超強激光與物質相互作用的過程中會在瞬間產(chǎn)生極端的等離子體物態(tài)條件和極強的加速電場，利用這種加速場可以獲得相對論的粒子束團。目前，超短超強激光已被用來產(chǎn)生高能電子束[1-2]、離子束[3-4]，并進一步用來產(chǎn)生X 射線[5]、γ 射線[6]等強電離輻射環(huán)境，有可能為模擬空間高能帶電粒子環(huán)境及開展相關研究提供新的平臺。例如上海交通大學的Dong Q L 等利用超短超強激光在實驗室中對黑洞邊緣的光電離過程和太陽火焰中的磁重聯(lián)現(xiàn)象進行了模擬研究，取得了突破性進展[7]。2004年以來超短超強激光加速產(chǎn)生電子在能量增益的提升和束流品質的改善兩個方面取得了許多進展。目前激光加速產(chǎn)生電子束的最高能量已經(jīng)可以達到4.2 GeV[8]，相對能散最低小于1%[9]。最近《Nature》有文章報道，在SLAC 加速器上的實驗初步證明，等離子體加速電子可以在保證高能量增益的同時保持較高的能量轉換效率[10]。利用激光加速獲得的高能電子轟擊固體靶可以產(chǎn)生硬X射線、高能量的γ 射線以及密度接近1021m-3的正負電子對。

本文首先介紹激光加速電子的基本原理與特點，其次討論幾種重要的加速機制以及它們各自的特點和應用范圍，然后重點回顧近十年來提升能量增益和改善束流品質兩方面最新的實驗和理論研究進展。最后對激光加速電子在空間環(huán)境模擬研究中的應用進行展望。

1 激光加速電子的基本原理與特點

激光加速電子最初由Tajima 和Dawson[1]于1979年提出。與傳統(tǒng)加速器不同，激光等離子體電子加速器（簡稱激光電子加速器）使用由激光激發(fā)的等離子體波加速電子。當一束超短超強的激光脈沖聚焦并照射氣體等離子體時，聚焦區(qū)域中的電子會被激光的有質動力勢排離開，而離子因質量大仍停留在聚焦區(qū)域。因此，當激光脈沖不照射時，被排離開的電子又會被離子的庫侖作用力拉回到原來位置，并且由于慣性，電子回到初始位置后會繼續(xù)運動，這樣就產(chǎn)生了等離子體內(nèi)電子的振蕩波，即激光激發(fā)的等離子體尾場。這個尾場是沿著激光傳播方向（縱向）的，處于特定相位的電子會像“沖浪”一樣被尾場加速到很高的能量，如圖1所示。

圖1 激光加速電子的基本原理 Fig.1 Fundamental principle of laser electron acceleration

傳統(tǒng)電子加速器由于受到器壁材料的擊穿場強限制，其最高加速梯度只有100 MV/m 左右[2]。想要獲得更高能量增益，必須擴大加速器的規(guī)模。然而加速器規(guī)模的提升帶來的是研究經(jīng)費的超額增加。當今基礎科學和空間科學領域的科學研究迫切需要高能量的粒子束，這就需要我們研究一種新的高加速梯度的加速方案，而激光電子加速器恰好能滿足這種需求。激光加速電子的優(yōu)勢之一就是加速梯度高：激光電子加速器所能承受的加速梯度約為E0≈96GV/m，要比傳統(tǒng)電子加速器高3 個量級，這有助于同量級地縮小加速器的規(guī)模。

激光電子加速器的另一特點就是出射電子束是脈沖式的，束流強度很容易達到 1 kA 量級[2]。這樣的電子束在激發(fā)X 射線、γ 射線和制造新型X 射線自由電子激光等方面有著廣泛的應用前景[2,5]。

2 幾種重要的加速機制

20世紀80年代，科學家們基于以上的基本原理提出了許多種加速機制，其中包括激光尾場加速（laser wakefield acceleration，LWFA）[1,11-12]、等離子體拍頻波加速（plasma beat wave acceleration，PBWA）[13]、自調制的激光尾場加速（self-modulated LWFA）[14]等。

在激光尾場加速機制下，當脈沖長度小于或等于等離子體波長的激光入射到稀薄等離子體中時，能夠激發(fā)出振幅最大的尾場，并且其相速度接近于光速c，該尾場將會在一段較長的距離內(nèi)把電子加速到很高的能量，最終電子會脫離尾場的束縛。

PBWA 最初是作為激光尾場加速的備用機制被提出來的，因為當時還無法獲得超短超強的飛秒激光脈沖。在這種機制下，使用兩束不同波長的激光脈沖干涉所產(chǎn)生的激光拍頻波作為驅動源，在效果上就像是一系列短激光脈沖，其激發(fā)出的等離子體波振幅是單個短激光脈沖激發(fā)出的等離子體波振幅的N倍，并且可同量級地提高電子能量增益，其中N為激光拍頻波的周期數(shù)。1992年，Kitagawa 等[15]利用這種方法得到了能量超過 10 MeV 的電子束。

如果將激光尾場加速機制下的激光脈沖改為長度大于等離子體波長的激光脈沖，且將脈沖強度提高到可以發(fā)生自引導的情況，則該長脈沖的末端會受到其前端產(chǎn)生的等離子體尾場的調制作用，被尾場切割成一系列的短脈沖，該過程稱為自調制。這些短脈沖分別激發(fā)出的尾場會產(chǎn)生共振，大大增強尾場振幅，并同量級地提高能量增益。利用這一效應的激光尾場加速機制稱為自調制的激光尾場加速機制。1995年，Coverdale 等[16]首先用實驗證實了這一加速機制。

3 激光加速電子的研究進展

得益于20世紀90年代激光啁啾脈沖放大（CPA）技術的發(fā)展，激光等離子體加速的研究也取得了重大突破。2004年，來自三個不同研究小組的科學家首次在實驗上利用激光等離子體加速電子獲得了準單能的電子束[17-19]。此后的10年時間內(nèi)，激光電子加速器取得了快速發(fā)展，獲得了非常多的研究成果。表1給出了激光電子加速器截至目前可 以獲得的最優(yōu)參數(shù)；需要說明的是，這些參數(shù)不是同時達到的，但它們之間有一定的互相制約。

表 1 目前實驗上可以獲得的電子束參數(shù) Table1 The electron beam parameters attainable in experiments

概括而言，自2004年之后，激光等離子體電子加速的研究主要集中在提高能量增益和提高電子束流品質兩個方面。下面從這兩個方面分別回顧激光等離子體電子加速的研究進展。

3.1 能量增益的提升

提高出射電子束團的能量增益[8,19-25]一直是激光等離子體電子加速研究的主攻方向之一。2004年，三個研究小組獲得的準單能電子束的能量增益均在 100 MeV 左右。值得注意的是，F(xiàn)aure 小組[19]獲得了中心能量為170 MeV 的準單能電子束，而且他們的實驗結果清晰地顯示出非線性的等離子體尾場。為了解釋這樣的實驗結果，他們給出了電子束的能量增益相對于激光和等離子體參數(shù)的定標律；為了進一步提高能量增益，需要一個多維的非線性模型。

2006年，Lu W 等[20-21]建立了多維相對論性等離子體尾場的非線性理論，即所謂的爆裂機制（blow-out regime）或“空泡”機制（bubble regime），給出了尾場振幅與激光和等離子體參數(shù)的關系，進一步為出射電子束的能量增益定標提供了理論基礎。他們從Lorentz 規(guī)范下的Maxwell 方程組和流體運動方程出發(fā)，利用冷流體模型和類波假設以及準靜態(tài)近似，導出了等離子體尾場的贗勢、場強和電荷及電流密度組成的方程環(huán)。然后，他們討論了等離子體爆裂的條件，即等離子體電子發(fā)生軌跡交叉的條件?；谝陨系姆治?，他們假設當?shù)入x子體發(fā)生爆裂時電子被完全排離開，從而形成一個純離子柱（見文獻[20]中的 Fig.1），并給出了此時積分形式的尾場勢。據(jù)此可以求出爆裂的空泡內(nèi)的尾場表示，這就基本建立了激光等離子體電子加速的爆裂機制的理論模型。

在實驗方面，Leemans[22]研究小組早在2006年就通過使激光脈沖穿過毛細管放電波導中預形成的等離子體通道獲得了1.0 GeV 的單能電子束（見文獻[22]中的 Fig.3）。之后，Clayton 等[23]的實驗又實現(xiàn)了用60 fs/200 TW 的激光脈沖聚焦到密度為1.3×1018cm-3、長為1.3 cm 的等離子體中，獲得了大于1 GeV 的電子束，最高的電子能量可達1.45 GeV。值得一提的是，他們根據(jù)出射激光的光譜和空間分布推斷，激光在等離子體中實現(xiàn)了自引導。

截至目前，激光等離子體電子加速實驗的最高能量增益為4.2 GeV。Leemans 等[8]使用40 fs/ 0.3 PW/815 nm、聚焦尺寸為52 μm 的激光，聚焦到一個直徑 500 μm、長9 cm 的毛細管中，其中充滿徑向拋物線型密度分布的氫等離子體。當軸上等離子體密度為 7×1017cm-3時，得到了電荷量為 6 pC、相對能散為 6%的電子束（見文獻[8]中的 Fig.5）。根據(jù)這樣的實驗結果外推，適當控制等離子體參數(shù)和激光聚焦，并用放電或其他方法引導激光脈沖，可以獲得 10 cm 量級的電子加速距離，從而進一步提高電子能量增益。

與此同時，用以提高能量增益的多級加速方案已被提出。2011年，Pollock 等[24]首先做了兩級加速實驗。在他們的實驗中，等離子體是由3 mm 的注入級與5 mm 的加速級連接而成，其中注入級充滿99.5%的氦和0.5%的氮，加速級充滿純氦，使用60 fs/40 TW 的激光，得到了約35 pC/(460±25)MeV的電子束。在2013年，Kim H T 等[25]則將兩級加速的實驗結果大大提升。他們使用了最大輻出度為3×1019W/cm2的激光脈沖聚焦到4 mm+10 mm長的兩個等離子體噴嘴的2 mm 縫隙中，當?shù)入x子體密度為8×1017cm-3時獲得了能量增益超3 GeV 的電子束，出射束的發(fā)散角約為4 mrad，總電荷量為80 pC，2 GeV 以上電子的電荷量約為10 pC。但是，從他們實驗獲得的最終能譜來看，電子束的能散（ΔE/E）超過了50% (1.5 GeV)，還遠未達到實際應用的程度。雖然目前多級加速的實驗結果還不理想，出射電子束質量不高，能量增益也不如單級加速的能量增益高，但是多級加速的確是進一步提高電子束能量增益的非常重要且可行的方案。

圖2給出了近10年來主要的單級加速能量增益實驗結果的對比圖，可以看出，10年時間內(nèi)，激光加速電子的能量增益從最初的100 MeV 左右增加到了4.2 GeV，而為了提高能量增益，相應的等離子體長度也從最初的3 mm 左右增加到了9 cm。按照這樣的趨勢，如果想要在實驗上進一步提高能量增益，無論是單級加速還是多級加速，都需要繼續(xù)增大加速距離。

圖2 激光加速電子的能量增益和對應的等離子體 長度逐年變化圖 Fig.2 The variations of electron energy gain and relative plasma length during the last ten years

3.2 束流品質的控制與改善

出射電子束流品質是衡量加速器質量的重要參數(shù)，因為它直接決定了加速器能否應用及其適用范圍。2006年，爆裂機制下的自注入電子束已經(jīng)可以產(chǎn)生能散為 2.5% 的電子束[22]，但是因為自注入方法對電子束的電荷量、能散和發(fā)射度無法控制，所以科學家們轉而研究其他的注入方法。近年來，這方面的研究已蓬勃發(fā)展，包括光學注入[26-27]、密度轉換控制的注入[28-29]在內(nèi)的多種注入方案特別是電離誘導注入方案[30-34]在降低出射電子束的發(fā)射度方面效果顯著。

電離誘導注入的重點在于，等離子體源要有兩個相差較大的電離能級。當一束激光到來時，其脈沖前沿先將電離能較低的電子電離，產(chǎn)生等離子體；當脈沖峰值到來時，峰值處的強電場將電離能較高的電子電離。由于這些電子是在空泡內(nèi)部產(chǎn)生的，且產(chǎn)生時橫向電場為0，幾乎沒有橫向動量，因此其注入近空泡的尾部時橫向振幅較小，這就有效降低了最終出射電子束的初始發(fā)射度。2010年，Pak 等[30]首先研究了隧穿電離的電子注入進入激光尾場中的方案，它們使用氦摻雜少量的氮氣作為等離子體源，利用氮的K 層電子作為注入電子，給出了發(fā)生隧穿電離誘導注入的閾值條件。

2012年，Chen M 等[31]研究了電離誘導注入方 法，發(fā)現(xiàn)入射激光為共振高斯激光時，電離誘導注入需要的最小歸一化激光場須滿足a0≈1.7（其中a0為歸一化后的激光矢勢），出射電子束的最小能散取決于隧穿電離產(chǎn)生電子的初始注入相位的發(fā)散程度。根據(jù)他們的二維PIC（particle-in-cell）模擬結果，用電離的電子密度為1018cm-3等離子體可以產(chǎn)生電荷量為10 pC、中心能量達GeV 量級、能散小于1%的單能電子束。

除了對各種注入方法的研究之外，有些研究人員[34-35]還考察了激光尾場中電子束發(fā)射度的變化過程。

Mehrling 等[34]在2012年利用三維PIC 模擬研究激光驅動的線性或準線性尾場中電子注入過程與發(fā)射度的變化關系時發(fā)現(xiàn)，注入電子的橫向振蕩頻率與它在尾場中的相對相位有關。由于尾場中電子束并非嚴格單能，有限長度電子束的每個縱向切片以不同的頻率振蕩，從而導致投影發(fā)射度的增長。此外，如果電子束的橫向性質與它在尾場中的本征橫向振蕩不匹配，則注入過程會導致電子束的發(fā)射度增加幾個量級。

2014年Xu X L 等[35]在模擬空泡內(nèi)部電離誘導注入電子的相空間分布以及電子在相空間中的運動過程時發(fā)現(xiàn)，爆裂機制下注入電子的發(fā)射度變化可以分為三個階段，而且每個階段都可能影響最終的出射束質量。第一階段，注入過程引起了不同相位的注入粒子的縱向和橫向相混合，導致了初始過程的發(fā)射度的快速增長。第二階段，在電離剛剛完成之后，總電子束的發(fā)射度會在較短時間內(nèi)降到一個最小值。最后，發(fā)射度又會緩慢上升，最終達到飽和值。他們用電子束的橫向相圖的變化清晰地解釋了這一過程，并用統(tǒng)計的方法給出了一個理論模型，較好地解釋了模擬結果（見文獻[34]中的 Fig.2）。

4 激光加速電子在空間環(huán)境模擬研究中的 應用

地球外層空間的高能粒子環(huán)境中充滿大量的太陽宇宙射線和銀河宇宙射線，它們主要是高能電子流和高能質子流[36]，此外還有高能X 射線和γ 射線 等。這些射線嚴重地影響了航天器和空間科學儀器的正常運行，據(jù)統(tǒng)計，超過40%的航天器在軌故障與空間環(huán)境中的高能帶電粒子引起的航天器表面和內(nèi)部帶電、單粒子效應有關[37]。而目前我國空間輻射環(huán)境試驗及模擬方面的研究還很不完善[36]，試驗設備也有待改進。激光加速電子目前可獲得GeV量級的高能電子束，將其打到固體靶表面可以獲得質子束、高能X 射線或γ 射線等，這為在地面模擬研究空間高能射線對航天器的影響提供了一種簡便有效的方法。

航天器空間環(huán)境模擬是一項非常復雜的技術，涉及材料科學、空間科學、探測器技術等多領域的交叉。利用激光加速電子技術模擬航天器空間環(huán)境，具有實驗原理清晰、設備簡單、操作方便可控且對人體危害小等優(yōu)點，然而其難點在于如何利用激光加速電子技術產(chǎn)生出能量、發(fā)散角、能散三者均可控的高亮度電子束，這是下一步產(chǎn)生質子束、X 射線和γ 射線等的基礎，也是該技術的核心。

5 結束語

本文對激光加速電子技術的研究進展進行了較系統(tǒng)的跟蹤和歸納，同時就該技術在航天器空間環(huán)境模擬研究中的應用進行了初探。激光加速電子技術具有很多技術優(yōu)勢，而且發(fā)展已日臻成熟，這將為航天器空間環(huán)境模擬研究提供一種新的解決方案，相信它會在不久的將來發(fā)揮重要作用。

（References）

[1] Tajima T,Dawson J.Laser electron accelerator[J].Phys Rev Lett,1979,43: 267-270

[2] Esarey E,Schroeder C,Leemans W P.Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators[J].Rev Mod Phys,2009,81: 1229

[3] Snavely R A,Key M H,Hatchett S P,et al.Intense high-energy proton beams from petawatt-laser irradiation of solids[J].Phys Rev Lett,2000,85: 2945

[4] Heglich B M,Jung D,Albright B J,et al.160 MeV laser-accelerated protons from CH2 nano-targets for proton cancer therapy[ER/OL].[2014-10-31].http:// arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1310/1310.8650.pdf

[5] Corde S,Phuoc T,Lambert G,et al.Femtosecond X rays from laser-plasma accelerators[J].Rev Mod Phys,2013,85: 1

[6] Shvets G.Laser-plasma acceleraors: Gamma-rays going cheap[J].Nat Phys,2011(7): 834-835

[7] Dong Q L,Wang S J,Lu Q M,et al.Plasmoid ejection and secondary current sheet generation from magnetic reconnection in laser-plasma interaction[J].Phys Rev Lett,2012,108: 215001

[8] Leemans W P,Gonsalves A J,Mao H S,et al.Multi-GeV electron beams from capillary-discharge- guided subpetawatt laser pulses in the self-trapping regime[J].Phys Rev Lett,2014,113: 245002

[9] Martinez de Ossa A,Grebenyuk J,Mehrling T,et al.High-quality electron beams from beam-driven plasma accelerators by wakefield-induced ionization injection[J].Phys Rev Lett,2013,111: 245005

[10] Litos M,Adli E,An W,et al.High-efficiency acceleration of an electron beam in a plasma wakefield accelerator[J].Nature,2014,515: 92-95

[11] Esarey E,Krall J,Sprangle P.Envelope analysis of intense laser pulse self-modulation in plasmas[J].Phys Rev Lett,1994,72: 2887

[12] Sprangle P,Esarey E,Ting A,et al.Laser wakefield acceleration and relativistic optical guiding[J].Appl Phys Lett,1988,53: 2146

[13] Joshi C,Mori W B,Katsouleas T,et al.Ultrahigh gradient particle acceleration by intense laser-driven plasma density waves[J].Nature,1984,311: 525-529

[14] Joshi C,Tajima T,Dawson J M,et al.Forward Raman instability and electron acceleration[J].Phys Rev Lett,1981,47: 1285

[15] Kitagawa Y,Matsumoto T,Minamihata T,et al.Beat- wave excitation of plasma wave and observation of accelerated electrons[J].Phys Rev Lett,1992,68: 48

[16] Coverdale C A,Darrow C B,Decker C D,et al.Propagation of intense subpicosecond laser pulses through underdense plasmas[J].Phys Rev Lett,1995,74: 4659

[17] Mangles S P,Murphy C D,Najmudin Z,et al.Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laser-plasma interactions[J].Nature,2004,431: 535-538

[18] Geddes C G,Toth C,van Tilborg J,et al.High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding[J].Nature,2004,431: 538-541

[19] Faure J,Glinec Y,Pukhov A,et al.A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams[J].Nature,2004,431: 541-544

[20] Lu W,Huang C,Zhou M,et al.Nonlinear theory for relativistic plasma wakefields in the blowout regime[J].Phys Rev Lett,2006,96: 165002

[21] Lu W,Huang C,Zhou M,et al.A nonlinear theory for multidimensional relativistic plasma wavefields[J].Phys Plasmas,2006,13: 056709

[22] Leemans W P,Nagler B,Gonsalves A J,et al.GeV electron beams from a centimeter-scale accelerator[J].Nat Phys,2006(2): 696-699

[23] Clayton C E,Ralph J E,Albert F,et al.Self-guided laser wakefield acceleration beyond 1GeV using ionization-induced injection[J].Phys Rev Lett,2010,105: 105003

[24] Pollock B B,Clayton C E,Ralph J E,et al.Demonstration of a narrow energy spread,～0.5GeV electron beam from a two-stage laser wakefield accelerator[J].Phys Rev Lett,2011,107: 045001

[25] Kim H T,Pae K H,Cha H J,et al.Enhancement of electron energy to the multi-GeV regime by a dual-stage laser-wakefield accelerator pumped by petawatt laser pulses[J].Phys Rev Lett,2013,111: 165002

[26] Faure J,Rechatin C,Norlin A,et al.Controlled injection and acceleration of electrons in plasma wakefields by colliding laser pulses[J].Nature,2006,444: 737-739

[27] Lehe R,Lifschitz A F,Davoine X,et al.Optical transverse injection in laser-plasma acceleration[J].Phys Rev Lett,2013,111: 085005

[28] Shi Y J.Laser electron accelerator in plasma with adiabatically attenuating density[J].Laser and Particle Beams,2007,25: 259-265

[29] Samant S A,Upadhyay A K,Krishnagopa S.High brightness electron beams from density transition laser wakefield acceleration for short-wavelength free- electron lasers[J].Plasma Physics and Controlled Fusion,2014,56: 095003

[30] Pak A,Marsh K A,Martins S F,et al.Injection and trapping of tunnel-ionized electrons into laser-produced wakes[J].Phys Rev Lett,2010,104: 025003

[31] Chen M,Esarey E,Schroeder C B,et al.Theory of ionization-induced trapping in laser-plasma accelerators[J].Phys Plasmas,2012,19: 033101

[32] Bourgeois N,Cowley J,Hooker S M.Two-pulse ionization injection into quasilinear laser wakefields[J].Phys Rev Lett,2013,111: 155004

[33] Hidding B,Pretzler G,Rosenzweig J B,et al.Ultracold electron bunch generation via plasma photocathode emission and acceleration in a beam-driven plasma blowout[J].Phys Rev Lett,2012,108: 035001

[34] Mehrling T,Grebenyuk J,Tsung F S,et al.Transverse emittance growth in staged laser-wakefield acceleration[J].Phys Rev ST Accel Beams,2012,15: 111303

[35] Xu X L,Hua J F,Li F,et al.Phase-space dynamics of ionization injection in plasma-based accelerators[J].Phys Rev Lett,2014,112: 035003

[36] 龔自正,曹燕,侯明強,等.空間環(huán)境及其對航天器的影響與防護技術[C]//中國數(shù)學力學物理學高新技術交叉研究學會第十二屆學術年會論文集.成都,2008: 287-298

[37] 黃本誠,童靖宇.空間環(huán)境工程學[M].北京: 中國科學技術出版社,2010: 450-451