激光等离子体尾波加速器的发展和展望

作者：

陈民、刘峰、李博原、翁苏明、陈黎明、盛政明、张杰

单位：

上海交通大学物理与天文学院  激光等离子体教育部重点实验室  IFSA协同创新中心

       粒子加速器始终推动着人类科学技术进步，对人们的生产生活产生越来越广泛而深刻的影响。如今，人们对加速器的应用需求越来越多元化，对其性能指标要求也越来越高。人们期待进一步降低加速器的造价和尺寸，建造更高能的对撞机，为探索未知世界提供更加先进的研究手段。然而由于传统加速器的加速梯度和长度都已接近技术和工程极限，进一步提高加速能量的关键在于发展变革性的加速技术，极大提高加速梯度，突破现有加速器技术的瓶颈。本文介绍了以强激光为驱动源，以等离子体为介质的新型激光尾波场加速器，对该新型加速器的原理、特点、发展历程，尤其是近十年来的主要进展和未来发展趋势及面临的主要挑战进行简要梳理和介绍。

      激光等离子体尾波加速是近四十年来随着超短超强激光脉冲技术、等离子体物理和加速器物理与技术的发展而迅速成长起来的一个新型交叉研究方向，它是利用超强激光在气体等离子体中激发出大幅等离子体尾波对带电粒子进行加速的一种新型机制，其加速梯度相较于现有的常规射频腔加速器可以提升1000倍，达到GV/cm，为建造桌面式超紧凑型的加速器和辐射源奠定了基础，也为将来建造基于等离子体的自由电子激光装置和超高能正负电子对撞机提供了可能。经过几代人的努力，激光等离子体尾波加速已经从加速原理突破、加速品质提升、加速能量提高，到向基础科学、医疗、工业等各领域的应用不断拓展。本文主要对激光等离子体尾波加速的原理及其经历的数个发展阶段、当前的主要应用及将来的发展趋势和面临的主要挑战，作了简要梳理和介绍，以期让读者对本领域的发展脉络、主要内容和挑战，及发展前景有一个整体了解。

Ⅰ 激光尾波加速原理 

      激光尾波加速的原理是利用强度、脉宽、聚焦尺度合适的激光在气体等离子体中激发出大幅电子密度波，该波跟随激光向前运动，可以承载极强的纵向和横向电磁场，且其相速度与驱动激光的群速度相当（如图1所示）。该结构可以对处于其中合适相位的带电粒子束进行纵向加速和横向聚焦，形成一个完美的加速结构。由于其加速梯度可达1GV/cm，因此极具潜力成为超紧凑型粒子加速器的加速机制，大幅缩减现有加速器的规模和造价。 

图 1  激光等离子体尾波加速原理示意图 

Fig. 1  Schematic of laser plasma wakefield acceleration

      激光尾波加速的等离子体通常用气体喷嘴、气体盒子或毛细管等装置提供。其中毛细管又可以分为烧蚀型或充气型，充气型又分为激光自电离自导引或放电电离导引型。图2是上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室近期开发的基于放电毛细管的激光尾波加速的等离子体结构，他们已经利用该结构成功获得GeV的电子加速

图2上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室放电毛细管导引的激光尾波加速结构

Ⅱ 激光尾波加速发展及应用 

      迄今激光尾波加速获得的最大电子加速能量已经超过8GeV，该纪录是由美国劳伦斯伯克利国家实验室于2019年创造的，他们利用850TW的激光脉冲在20cm长的毛细管实现了中心能量为7.88GeV，电量为5pC的电子加速。激光尾波加速电子束的单发电量通常在pC至nC量级，能散在1%~10%之间，电子束的脉冲宽度约为飞秒量级，发散角毫弧度量级，横向束斑半径在0.1~10微米量级。

      电子在尾波中除了纵向加速外，还存在横向振荡。该震荡可以导致电子沿前向辐射出X射线，其亮度与第三代同步辐射光源的亮度相当。如2012年，英国帝国理工学院的kneip等人利用电子束在尾波中的Betatron辐射产生了中心能量在10KeV，亮度高达10²²photons • s-l • mrad • mm-2 (0.1% BW )的X射线源。利用尾波加速电子束与激光束的汤姆逊散射还可以产生光子能量达MeV的伽马射线辐射。科学家们已经利用这些X射线和伽马射线开展了初步的成像研究。激光尾波除了对电子进行加速外，还可以对驱动激光或处于合适相位的后续激光进行光子减速。理论和实验均表明可以利用尾波光子减速机制可以实现波长在5微米左右的相对论强度的中红外脉冲输出。如果驱动激光具有涡旋相位，如图3所示，产生的中红外脉冲也可以是具有涡旋结构的。

图3利用尾场光子减速实现中红外涡旋脉冲

Ⅲ 我国激光尾波加速研究进展 

      迄虽然我国在激光尾波加速研究的早期起步较晚，但在中期发展阶段，在多个国家重大项目（如科技部973 项目，重大仪器专项，基金委重大、重点项目）的支持下，我国在这方面的理论和实验研究都取得了快速的发展。国内多家单位，如中国科学院上海光机所、中国科学院物理所、中国工程物理研究院、北京大学、清华大学、北京师范大学、国防科技大学、上海交通大学等，都在激光尾波加速的研究上有重要的贡献。其中中科院上海光机所、中国工程物理研究院激光聚变研究中心和上海交通大学都成功实现了利用激光尾波加速获得GeV的电子加速。我国科学家在尾场电子注入、尾场诊断、及尾场实现高品质辐射方面，在国际上都做出了杰出的贡献，并受邀参与多项国际研究计划，如上海交通大学受邀参加欧盟的首个等离子体尾场加速装置建设（EuPRAXIA）。当前由上海交通大学、清华大学、中科院上海光机所、中物院激光聚变研究中心共同承担的国家自然科学基金委重大项目“激光等离子体尾波加速机制及其技术研究”正在开展，该项目旨在利用激光尾波加速实现高能量、高品质电子束及多频段辐射，为尾波加速的尖端应用（如自由电子激光、正负电子对撞机、相干辐射源等）挑战开展攻关，为这些进一步应用奠定基础。

    陈民，博士，教授，

    主要从事激光等离子体物理研究，包括激光等离子体相互作用中的粒子加速和辐射、非线性效应，

    以及QED等离子体物理研究工作。ScientificReports期刊编委。minchen@sjtu.edu.cn

本文链接：Chen Min, Liu Feng, Li Boyuan, et al. Development and prospect of laser plasma wakefield accelerator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020,32: 092001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200174