羅　偉,黃　穎,孫　宇,安　妮

(1.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院,黑龍江 大慶　163318;2.黑龍江省高校校企共建測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器儀表工程研發(fā)中心,黑龍江 大慶　163318)

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激光等離子體加速電子機(jī)制研究進(jìn)展

羅偉1,2,黃穎1,孫宇1,2,安妮1

(1.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院,黑龍江 大慶163318;2.黑龍江省高校校企共建測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器儀表工程研發(fā)中心,黑龍江 大慶163318)

通過激光等離子體相互作用獲得的高能電子束流在醫(yī)學(xué)成像、癌癥治療、快點(diǎn)火聚變以及天體物理學(xué)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著啁啾脈沖放大技術(shù)的不斷發(fā)展,激光脈沖的強(qiáng)度大幅提高的同時(shí)脈沖持續(xù)時(shí)間逐漸減小,超短超強(qiáng)激光脈沖與等離子體相互作用中激發(fā)出的大振幅的等離子體尾波能夠有效地提高加速電子的能量。通過介紹近年來激光等離子體加速電子的主要加速機(jī)制的同時(shí)介紹該領(lǐng)域一些新的研究進(jìn)展。

激光等離子體相互作用; 電子加速; 啁啾脈沖放大技術(shù)

引　言

高品質(zhì)電子束流在物理學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面有著大量的應(yīng)用需求,然而由于空間電場(chǎng)梯度等限制,傳統(tǒng)加速器體積龐大而且造價(jià)極高,所以如何在短距離內(nèi)獲得高品質(zhì)的電子束流一直是物理學(xué)探索的前沿課題。隨著激光技術(shù)的出現(xiàn),1979年Tajima等首先從理論上驗(yàn)證了基于激光與等離子體相互作用產(chǎn)生等離子體波的電子加速器的可行性[1]。他們指出,激光驅(qū)動(dòng)等離子體波形成的強(qiáng)電場(chǎng)可以使帶電粒子加速到相對(duì)論能量。

伴隨著啁啾脈沖放大技術(shù)的出現(xiàn),高能量密度激光技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的領(lǐng)域。隨著激光脈沖長度的不斷縮減,激光器峰值功率不斷提高,激光和等離子體的相互作用顯現(xiàn)了許多新的物理現(xiàn)象。超短超強(qiáng)激光脈沖可以非常容易地使初始為靜態(tài)的電子加速到相對(duì)論能量,更重要的是,超短超強(qiáng)激光脈沖可以通過有質(zhì)動(dòng)力激發(fā)大振幅的等離子體波,通過各種不同的加速機(jī)制使電子加速獲得更高能量,加速梯度可達(dá)到100 GeV/m,是傳統(tǒng)加速器的1 000倍。

本文總結(jié)了近年來一些關(guān)于激光等離子體電子加速方面的主要的幾個(gè)加速機(jī)制以及最新的研究進(jìn)展。

1　主要加速機(jī)制

根據(jù)等離子體波生成的方法,激光等離子體加速電子的主要機(jī)制有激光尾波場(chǎng)加速度(laser wakefield acceleration,LWFA)、等離子體拍頻波加速度(plasma beat wave acceleration,PBWA)、激光自調(diào)制尾波場(chǎng)加速(self-modulate laser wakefield acceleration,SM-LWFA)和空泡加速機(jī)制(bubble regime acceleration,BRA)。這幾種加速機(jī)制中激光脈沖與等離子體波之間的關(guān)系[2]如圖1所示。

圖1　激光等離子體加速電子機(jī)制示意圖

1.1等離子體拍頻波加速

等離子體拍頻波加速度(PBWA)[3]是采用兩束長激光脈沖同時(shí)入射。分別設(shè)兩個(gè)脈沖的頻率為ω1和ω2,當(dāng)ω1-ω2=ωp時(shí),滿足共振條件,兩束激光通過拍頻則可以產(chǎn)生波長為λp的駐波,這些駐波可以有效地驅(qū)動(dòng)等離子體波加速電子。然而,PBWA機(jī)制存在一些限制,比如,當(dāng)?shù)入x子體波的振幅不斷增加時(shí),由于相對(duì)論效應(yīng),相應(yīng)的等離子體振蕩頻率就會(huì)降低,所以就會(huì)偏離了上述的共振條件,引起共振失調(diào)。20世紀(jì)80年代中期至90年代早期,激光脈沖的寬度一般都大于等離子體波的長度,激光場(chǎng)的強(qiáng)度又低于相對(duì)論自聚焦閾值,因此得到了相當(dāng)多的關(guān)注,有不少實(shí)驗(yàn)和理論研究成果相繼發(fā)表。其中較突出的是1993年,Clayton等將2.1 MeV的電子注入到兩束CO2激光聚焦產(chǎn)生的拍波結(jié)構(gòu)中,在16 mm的加速距離上將電子的能量提高到28 MeV,加速電場(chǎng)達(dá)到2.8 GV/m[4]。隨著超短超強(qiáng)激光脈沖技術(shù)的發(fā)展,人們的研究重心逐步轉(zhuǎn)向單個(gè)激光脈沖激發(fā)尾波場(chǎng)加速電子過程。

1.2自調(diào)制尾波場(chǎng)加速

為了解決PBWA限制,Andreev等[5]和Krall等[6]提出了一種新方案,即自調(diào)制尾波場(chǎng)加速SM-LWFA。這種機(jī)制采用的是單束的、激光脈沖長度大約是幾個(gè)等離子波長的激光脈沖,運(yùn)行在密度較高的等離子體中,而且激光的功率大于激光自聚焦的臨界功率。通過系列作用,激光被分級(jí)為很多波長為λp的短脈沖,這些短脈沖與等離子體共振,起到加速的作用。倫敦帝國理工大學(xué)Modena等利用功率為20 TW,持續(xù)時(shí)間0.8 ps,激光中心聚焦強(qiáng)度5×1018W/cm2的激光,經(jīng)過4 mm的相互作用距離,獲得能量44 MeV的電子束。這次實(shí)驗(yàn)首次證明了激光加速梯度可到100 GV/m。由于自調(diào)制尾波場(chǎng)是由自調(diào)制不穩(wěn)定激發(fā)起來的,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果很依賴于初始等離子體狀態(tài),而且加速過程不穩(wěn)定,電子能量是連續(xù)分布,因此后續(xù)的研究工作較少。

1.3激光尾波場(chǎng)加速

激光尾波場(chǎng)加速的原理是當(dāng)一束強(qiáng)激光脈沖在稀薄的等離子體中傳播時(shí),激光脈沖的縱向有質(zhì)動(dòng)力將電子從激光脈沖區(qū)域排開,從而通過共振激發(fā)出了一個(gè)很強(qiáng)的等離子體波,即尾波場(chǎng)。尾波場(chǎng)可以在很短的距離上將電子加速到非常高的能量。2010年中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員首次利用電離注入的全光驅(qū)動(dòng)雙尾波場(chǎng)級(jí)聯(lián)電子加速器方案,成功實(shí)現(xiàn)了電子注入與電子加速的分離與控制,實(shí)驗(yàn)獲得了能量近GeV的準(zhǔn)單能電子束和187 GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果[7],實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示。這種雙尾波場(chǎng)級(jí)聯(lián)加速機(jī)制的成功實(shí)現(xiàn)為未來產(chǎn)生高性能的單能電子束提供了可行途徑,對(duì)超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)的臺(tái)式化粒子加速器的發(fā)展與應(yīng)用帶來巨大影響。

圖2　LWFA實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2　Schematic of experimental setup for the cascaded LWFA

為了使得到的粒子束具有很好的方向性以及單能性,科學(xué)家們?cè)诮鼛啄晏岢隽巳庾⑷敕āＦ渲?比較突出的有密歇根大學(xué)Umstadter等提出的激光注入法[8]、Easrey等提出的碰撞光脈沖注入法[9]以及Moore等提出的激光電離加有質(zhì)動(dòng)力加速的全光學(xué)注入機(jī)制[10]。

在2009年,Rechatin等提出了一種冷光注射的加速機(jī)制[11]。與原有的那些光注入機(jī)制不同的是,這種機(jī)制中的光注入并不是通過電子的加熱所引起的,而是通過脈沖間的相互碰撞產(chǎn)生了一個(gè)空間周期性的和長期有效的作用力。這個(gè)作用力阻止了電子的縱向運(yùn)動(dòng),并引導(dǎo)電子注入到傳播的激光脈沖尾波中。這種加速機(jī)制可以在很小的能散范圍內(nèi)注入電子,從而獲得密度很低的等離子體以及能散很低的高能量電子束。

2013年,美國Austin實(shí)驗(yàn)室通過自注入機(jī)制,在大于100 J的PW級(jí)的激光器系統(tǒng)上,得到了能量超過2 GeV的準(zhǔn)單能電子束,其中高能部分能散為5%[12]。2014年,LBNL實(shí)驗(yàn)室的Leemans等通過采用9 cm長的毛細(xì)管引導(dǎo)激光與等離子體作用,產(chǎn)生了4.25 GeV的高能電子束[13],取得了激光加速歷程上的又一突破。2015年,Rassou等指出,強(qiáng)大的縱向磁場(chǎng)對(duì)激光尾波場(chǎng)的加速也有一定的影響[14]。

1.4空泡加速

隨著啁啾脈沖放大的進(jìn)一步發(fā)展,出現(xiàn)了可達(dá)到飛秒量級(jí)的超短超強(qiáng)激光脈沖,因此人們又重新開始考慮用強(qiáng)激光脈沖的尾波場(chǎng)直接驅(qū)動(dòng)等離子體波加速電子。2002年,Pukhov等[15]發(fā)現(xiàn),一些傳播在空泡邊緣的電子可以被困在其后方靠近軸的位置,進(jìn)而在激光的尾部產(chǎn)生了一個(gè)只有離子存在的空泡區(qū)域,同時(shí),一部分電子可以通過注射的方式進(jìn)入腔內(nèi)進(jìn)行高能加速,即空泡加速機(jī)制。要利用尾波加速產(chǎn)生單能電子束,需要滿足兩個(gè)條件:一個(gè)是電子的捕獲(注入);另一個(gè)是要有穩(wěn)定的加速場(chǎng)。所謂的空泡加速之所以可以產(chǎn)生準(zhǔn)單能電子束,關(guān)鍵在于這兩個(gè)條件都能滿足。Pollock等在空泡制度下的激光尾波場(chǎng)加速實(shí)驗(yàn)中,通過仿真模擬得出,當(dāng)電子被困于第二個(gè)時(shí)間段時(shí),這些電子與通過激光的自聚焦以及電子的相互移動(dòng)而形成的兩個(gè)動(dòng)態(tài)區(qū)域相互作用,得到了超相對(duì)能量的電子環(huán)結(jié)構(gòu),這些電子環(huán)的能量達(dá)到170～280 MeV(能散5%～25%)[16]。2013年,Nakajima等提出了幾種利用空泡加速機(jī)制的加速方案,有望在Petawatt Aquitane Laser裝置的3.5 kJ,500fs拍瓦激光器上將電子能量提高到100 GeV[17]。

2　其他加速機(jī)制

Sadykova等提出了一個(gè)新的加速機(jī)制——基于受激前向散射的等離子加速[18]。他們認(rèn)為,由于高強(qiáng)度激光脈沖的長度很短,導(dǎo)致注入的電子束與等離子體波之間的交互作用時(shí)間很短,因此受激后向散射脈沖并不適用于粒子加速,所以建議采用刺激前向散射的方式,以獲得更久的粒子加速時(shí)間以及更長的加速距離。

近幾年,很多研究人員考慮用線性啁啾脈沖去加速粒子[19]。通過啁啾脈沖,改變了激光脈沖原有的對(duì)稱性,在激光脈沖中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相位緩沖區(qū)。在該相位緩沖區(qū)中,由于激光具有強(qiáng)度較大、束寬較寬和浮動(dòng)性較小的性質(zhì),滯后的電子在該區(qū)域中可以較長時(shí)間處于同一強(qiáng)度從而獲得二次加速,進(jìn)而獲得能量較高、單準(zhǔn)性較好的電子束。在2013年,Salamin等就對(duì)不同啁啾參數(shù)下的電子加速進(jìn)行了研究[20]。他們對(duì)比線性啁啾脈沖和平方性啁啾脈沖對(duì)加速電子能量的影響,得出線性啁啾加速電子的能量是平方性啁啾脈沖加速電子能量的兩倍。因?yàn)榫€性啁啾脈沖加入后,激光脈沖呈現(xiàn)梯形狀,從而使電子能在準(zhǔn)靜態(tài)的部分持續(xù)更長的時(shí)間,達(dá)到加速的目的。

3　結(jié)　論

激光等離子體加速在近三十年來取得了巨大進(jìn)步。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,激光脈沖已經(jīng)能夠達(dá)到百太瓦和飛秒的級(jí)別,在不同條件下不同的激光等離子體電子加速機(jī)制被發(fā)現(xiàn)并引導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)上的成功。然而,雖然實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)獲得了一些非常好的準(zhǔn)高能電子束,但是電子束的穩(wěn)定性還不是很理想,仍將限制其實(shí)際應(yīng)用。因此,如何通過研究激光與等離子體相互作用機(jī)制,從而產(chǎn)生穩(wěn)定的,準(zhǔn)高能電子束仍是今后研究的主要方向之一。

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(編輯:劉鐵英)

Development of electron beam from laser-plasma interaction

LUO Wei1,2,HUANG Ying1,SUN Yu1,2,AN Ni1

(1.College of Electronic Science,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2.University-Enterprise R&D Center of Measuring and Testing Technology & Instrument and Meter Engineering in Heilongjiang Province,Daqing 163318,China)

Electron beam acquired by laser-plasma acceleration has great potential in the applications of medical imaging,cancer therapy,fast ignition in inertial fusion,and astrophysics.With the continuous development of chirp plus amplification technology,the intensity of the laser pulse increases rapidly while the laser beam duration reduced dramatically.With such ultra-short,ultra-intense laser pulse interacting with plasma,it can stimulate high amplitude plasma wave,which can accelerate the electrons to high energies.In this paper,we introduce the main schemes for laser-plasma electron acceleration,and some new research progress in recent years.

laser-plasma interaction; electron acceleration; chirped pulse amplification

2015-08-07

黑龍江省教育廳海外學(xué)人科研資助項(xiàng)目(No.1253HQ014);黑龍江省留學(xué)歸國人員科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LC2013C02)

羅偉(1977—),男,副教授,主要從事中高能物理、激光與物質(zhì)相互作用方面的研究。E-mail:lwsy711@163.com

黃穎(1990—),女,碩士研究生,主要從事儀器科學(xué)與技術(shù)方面的研究。E-mail:huangying42@126.com

1005-5630( 2016) 03-0278-05

TF806.83

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.017