粒子物理学领域获得的一项重要成果值得引起注意，它意味着粒子加速器将变得更廉价，更小巧。日本以及英国、美国和法国的研究小组利用超短和超强激光来在等离子体中生成极端电场，先后获得了高质量电子束。这些相对论电子束将有很多用途，包括建造紧凑型桌面式的粒子加速器。

日本国立产业技术综合研究所（Advanced Industrial Science and Technology，简称AIST）2004年8月4日发布消息：AIST的能源技术研究所与国立放射性科学研究所带电粒子治疗研究中心合作，在世界上首次成功地在激光等离子加速器上产生了高能量的单能电子束和超短脉冲。

高能量的单能电子束和超短脉冲，被认为是进行医学治疗包括癌症的诊断和治疗，和了解对与化学反应有关超快现象进行控制的不可或缺的工具。到现在为止，利用基于高压或微波在高精确度医疗，或在快化学反应中进行实验的常规加速器已经产生了单能电子束。但是，常规加速器需要一台像机场那样大小带高压和具有巨大功率的巨型装置，难以在医疗和工业现场实现全面的应用。

激光等离子加速器所采用的原理与常规加速器迥然不同，需要将高能加速器彻底减小体积。在激光等离子体加速器中，电子束被等离子波的高电场加速，因对由电击穿产生的加速梯度缺乏限制，能够形成加速梯度，即每个单位长度的加速能量，为常规加速器的100 – 1000倍。这就能够将加速器的长度缩短1/100到1/1000，许多国家都在从事研究与开发的工作。但是，以前在激光等离子体加速器方面的工作没有能够产生仅具有特殊能量的单能电子束。对医学和工业应用来说，需要给加速器提供一些附加的设备，像选择需要的能量和阻止不必要的能量的过滤器，以限制电子束的能谱，如果束流由各种能量组成，为了切断伴随的高能辐射，对设备加以屏蔽。这难以为激光等离子体加速器的应用减小系统的体积。 

他们将2太瓦（1太瓦=10¹²瓦）的激光脉冲辐照电子密度高达10²⁰cm^-3（相当室温时10个大气压空气的密度），比以前的实验高一个数量级的等离子体50飞秒（1飞秒=10^-15秒），从0.5毫米长的等离子体产生7MEV能量的单能电子束。表明电子被等离子体加速的证据已经从诊断激光等离子体相互作用中获得。到现在为止一直被认为难以利用激光等离子体加速器产生单能电子束时，本研究获得的成功向激光等离子体加速器的实际应用迈出了一大步。 

背景

当加速器不仅用于基础科学研究而且用于医学和工业应用时，它们难于被人人和处处所用，原因是费用高昂和需要有大型装置。如果加速器在创新概念的基础上运行，那么就可能建造体积大大缩小了的高能加速器。

其中一个创新是激光等离子体加速器。在这种加速器中，常规系统中的金属电极被电离气体等离子体取代，更高频率饿激光激励波取代微波，被用来去掉电击穿引起的限制。这就使得激光等离子体加速器形成相当于常规设备100-1000倍的加速器梯度。为了产生等同加速能量的电子束，用这一方法可将加速器的长度减小1/100–1/1000。

驱动器激光器的体积也已经减小，目前，在几平方米的区域内，就可安置一台10太瓦的激光器。随着加速器的小型化，其研制周期已经缩短。期望造价大大降低，使用需求会迅速扩大。

据报导，激光等离子体加速器的最近实验获得的最高加速能量已达600 MeV，但输出的电子束流为“白光”，包括从低端到更高限度能量的各个光谱。在实际应用中，常常需要通过选择必要能量的束流和去掉不许要的束流来提供单能电子束。这样不仅浪费，而且还放射出危险的高能次级辐射。

研发历史

1993年以来，日本前电工技术研究所，现产业技术综合研究所（AIST）的能源技术研究所一直在从事超高流强脉冲与等离子体相互作难功用方面的基础研究，旨在研制超小型化加速器。该项工作是根据文部省的核能研究计划和合作项目进行的。核能研究计划的题目是《基于超高流强激光器的高能粒子和辐射源的研究》，合作的项目是《先进紧凑型加速器研制计划》，涉及现产业技术综合研究所（AIST）的能源技术研究所、国立放射学研究所、东京大学、高能加速器研究组织和日本原子能研究所。

研发详细情况

激光等离子体加速器的工作原理是：激光脉冲射入到超声气体喷嘴后，激光脉冲通过，同时将气体变为等离子体，并产生高速传播的电子压缩波（等离子体波）。等离子体波俘获的负电子被推向前和加速，作为电子束放射出来（见图1）。

图1-激光等离子体加速器简图和加速原理

然而，不可避免的是，很难用激光等离子体加速器获得单能电子束，原因是加速能量取决于“冲浪”时间的选择，或单个电子在等离子体波斜坡的位置而改变和输出的束流由若干能谱的叠加构成。

在现在进行的研究中，单能束流的成功产生是因为2 太瓦的激光脉冲辐照电子密度比以前工作中用的高出一个数量级的（即10²⁰电子/ 厘米³，相当于室温时大约10个以下大气压的空气密度）等离子体50飞秒。单能电子束从长约0.5毫米的等离子体获得。还发现单能电子束具有7 MeV 的能量（图2），只有当等离子体的信号被认出后才有这样的能量。

图2-用激光等离子体加速器在加速实验中得到的电子束能谱

图3-等离子体的前向散射光光谱。约为1040毫微米的峰代表通过

等离子体波调制产生的一个分量。该分量只有在单能电子束加速时才出现。

由于利用能够产生单能电子束的激光等离子体加速器容易提供高质量的高能电子束，所以美国和世界上其他一些国家都在积极开展研发竞赛。2004年9月30日出版的《自然》杂志刊登了英国、美国和法国等三个研究小组的论文（Letters, pp 535,538,541）。这三个研究小组均利用超短和超强激光来在等离子体中生成极端电场，从而获得了高质量电子束。

此期《自然》封面的模拟图（右图）（来自美国的Geddes等人）所示为由一个激光脉冲的辐射压力驱动的一个等离子体密度变化，这个激光脉冲是由一个预先形成的等离子体通道引导的。该脉冲方向向上，不同颜色表示不同密度。与密度变化相关的是一个电场，它的运动就像一个快艇后面形成的浪花轨迹一样。该电场比一个传统射频加速器中的电场要强数千倍。  

1.安装在实验室里的强流激光器在高重复率的情况下，聚焦的流强能达到10¹⁹ W cm^-2以上。这样的激光器能够产生高能电子、质子和g射线束流。当激光脉冲通过等离子体传播，或通过激光场和等离子体中的电子之间的直接相互作用时，通过破坏激光脉冲之后产生的大振幅相对论等离子体波产生相对论电子。但以前激光等离子体实验产生的电子束有很大的能散度，从而在潜在的应用中限制了对它们的利用。

英国三所大学和一所美国大学组成的合作组对强激光等离子体相互作用中产生的电子束进行的高分辨率能量测量结果表明，在特殊等离子体条件下，可以产生低发散度和小能散度（小于3%）的相对论电子束。单能特征正好就在破坏等离子体波所需的阈值之上在等离子体密度的电子能谱中被观测到。虽然观测到束流能量从注入一个脉冲到注入另一个脉冲有所不同，但在电子谱中看到它们是一致的。如果能够解决能量的重复产生能力，那么就可以产生能量可调的超短单能电子束团，从而极有希望将来研制出“桌式”粒子加速器。

详见“Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laser–plasma interactions”

http://www.ee.ucla.edu/faculty/papers/mori_nature-sept04.pdf

2.四所美国大学/研究机构和一所荷兰大学组成的合作组示范了一台激光加速器，它产生的电子束能散度为几个百分点，发射度低，能量提高（10⁹个电子，80 MeV 以上）。他们的技术涉及使用预先形成的等离子体密度通道引导相对论性地强流激光器，因而产生更长的传播距离。示范的结果为紧凑型和可调高亮度的电子和辐射源开辟了道路。

详见“High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding”

http://www.sc.doe.gov/ascr/nature02900.pdf

3.两个法国研究机构和一个德国研究机构组成的合作组从超强激光等离子体加速实验中获得了高质量的电子束。粒子加速器用于广泛的领域，从医学到生物学到高能物理。常规加速器中的加速场限制在几十个MeV m^-1，原因是结构壁上的材料被击穿。因此，产生高能粒子束流通常需要大型加速器和昂贵的基础设施。激光等离子体加速器因能够维持大的电场（>100 GeV m-1）而被作为下一代紧凑型的加速器提了出来，但难于将它们有效地用于应用，原因是相位空间中的电子随机化。该合作组展示了此随机化可以抑制，电子束的质量可戏剧性地提高。在3 毫米的长度内，激光器驱动俘获和加速等离子体电子的等离子体泡。所产生的电子束准直得非常棒，在170 MeV时准单能电荷高达0.5纳库。

详见“A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams”

http://www.infn.it/phin/papers/CARE-Pub-04-002.pdf

高能所科研处制作，内容由侯儒成译自日本产业技术综合研究所（AIST）网、2004年8月30日出版的《自然》杂志等