孫書(shū)營(yíng)，黃永盛，湯秀章

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 高功率準(zhǔn)分子激光實(shí)驗(yàn)室，北京 102413）

0 引言

近年來(lái)激光技術(shù)發(fā)展迅猛，超短超強(qiáng)激光的功率密度已經(jīng)達(dá)到1022W/cm2，脈沖寬度已經(jīng)可以降低到10-17s 量級(jí)。超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程中會(huì)在瞬間產(chǎn)生極端的等離子體物態(tài)條件和極強(qiáng)的加速電場(chǎng)，利用這種加速場(chǎng)可以獲得相對(duì)論的粒子束團(tuán)。目前，超短超強(qiáng)激光已被用來(lái)產(chǎn)生高能電子束[1-2]、離子束[3-4]，并進(jìn)一步用來(lái)產(chǎn)生X 射線[5]、γ 射線[6]等強(qiáng)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(kāi)展相關(guān)研究提供新的平臺(tái)。例如上海交通大學(xué)的Dong Q L 等利用超短超強(qiáng)激光在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)黑洞邊緣的光電離過(guò)程和太陽(yáng)火焰中的磁重聯(lián)現(xiàn)象進(jìn)行了模擬研究，取得了突破性進(jìn)展[7]。2004年以來(lái)超短超強(qiáng)激光加速產(chǎn)生電子在能量增益的提升和束流品質(zhì)的改善兩個(gè)方面取得了許多進(jìn)展。目前激光加速產(chǎn)生電子束的最高能量已經(jīng)可以達(dá)到4.2 GeV[8]，相對(duì)能散最低小于1%[9]。最近《Nature》有文章報(bào)道，在SLAC 加速器上的實(shí)驗(yàn)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(shí)保持較高的能量轉(zhuǎn)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(fù)電子對(duì)。

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

1 激光加速電子的基本原理與特點(diǎn)

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(jiǎn)稱(chēng)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(dāng)一束超短超強(qiáng)的激光脈沖聚焦并照射氣體等離子體時(shí)，聚焦區(qū)域中的電子會(huì)被激光的有質(zhì)動(dòng)力勢(shì)排離開(kāi)，而離子因質(zhì)量大仍停留在聚焦區(qū)域。因此，當(dāng)激光脈沖不照射時(shí)，被排離開(kāi)的電子又會(huì)被離子的庫(kù)侖作用力拉回到原來(lái)位置，并且由于慣性，電子回到初始位置后會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)。這個(gè)尾場(chǎng)是沿著激光傳播方向（縱向）的，處于特定相位的電子會(huì)像“沖浪”一樣被尾場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(kuò)大加速器的規(guī)模。然而加速器規(guī)模的提升帶來(lái)的是研究經(jīng)費(fèi)的超額增加。當(dāng)今基礎(chǔ)科學(xué)和空間科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)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(shì)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(gè)量級(jí)，這有助于同量級(jí)地縮小加速器的規(guī)模。

激光電子加速器的另一特點(diǎn)就是出射電子束是脈沖式的，束流強(qiáng)度很容易達(dá)到 1 kA 量級(jí)[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(yīng)用前景[2,5]。

2 幾種重要的加速機(jī)制

20世紀(jì)80年代，科學(xué)家們基于以上的基本原理提出了許多種加速機(jī)制，其中包括激光尾場(chǎng)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(diào)制的激光尾場(chǎng)加速（self-modulated LWFA）[14]等。

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

PBWA 最初是作為激光尾場(chǎng)加速的備用機(jī)制被提出來(lái)的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)還無(wú)法獲得超短超強(qiáng)的飛秒激光脈沖。在這種機(jī)制下，使用兩束不同波長(zhǎng)的激光脈沖干涉所產(chǎn)生的激光拍頻波作為驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jí)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(guò) 10 MeV 的電子束。

如果將激光尾場(chǎng)加速機(jī)制下的激光脈沖改為長(zhǎng)度大于等離子體波長(zhǎng)的激光脈沖，且將脈沖強(qiáng)度提高到可以發(fā)生自引導(dǎo)的情況，則該長(zhǎng)脈沖的末端會(huì)受到其前端產(chǎn)生的等離子體尾場(chǎng)的調(diào)制作用，被尾場(chǎng)切割成一系列的短脈沖，該過(guò)程稱(chēng)為自調(diào)制。這些短脈沖分別激發(fā)出的尾場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生共振，大大增強(qiáng)尾場(chǎng)振幅，并同量級(jí)地提高能量增益。利用這一效應(yīng)的激光尾場(chǎng)加速機(jī)制稱(chēng)為自調(diào)制的激光尾場(chǎng)加速機(jī)制。1995年，Coverdale 等[16]首先用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一加速機(jī)制。

3 激光加速電子的研究進(jìn)展

得益于20世紀(jì)90年代激光啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)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(lái)自三個(gè)不同研究小組的科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)上利用激光等離子體加速電子獲得了準(zhǔn)單能的電子束[17-19]。此后的10年時(shí)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(shuō)明的是，這些參數(shù)不是同時(shí)達(dá)到的，但它們之間有一定的互相制約。

表 1 目前實(shí)驗(yàn)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(zhì)兩個(gè)方面。下面從這兩個(gè)方面分別回顧激光等離子體電子加速的研究進(jìn)展。

3.1 能量增益的提升

提高出射電子束團(tuán)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(gè)研究小組獲得的準(zhǔn)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(zhǔn)單能電子束，而且他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地顯示出非線性的等離子體尾場(chǎng)。為了解釋這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們給出了電子束的能量增益相對(duì)于激光和等離子體參數(shù)的定標(biāo)律；為了進(jìn)一步提高能量增益，需要一個(gè)多維的非線性模型。

2006年，Lu W 等[20-21]建立了多維相對(duì)論性等離子體尾場(chǎng)的非線性理論，即所謂的爆裂機(jī)制（blow-out regime）或“空泡”機(jī)制（bubble regime），給出了尾場(chǎng)振幅與激光和等離子體參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)一步為出射電子束的能量增益定標(biāo)提供了理論基礎(chǔ)。他們從Lorentz 規(guī)范下的Maxwell 方程組和流體運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，利用冷流體模型和類(lèi)波假設(shè)以及準(zhǔn)靜態(tài)近似，導(dǎo)出了等離子體尾場(chǎng)的贗勢(shì)、場(chǎng)強(qiáng)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(shè)當(dāng)?shù)入x子體發(fā)生爆裂時(shí)電子被完全排離開(kāi)，從而形成一個(gè)純離子柱（見(jiàn)文獻(xiàn)[20]中的 Fig.1），并給出了此時(shí)積分形式的尾場(chǎng)勢(shì)。據(jù)此可以求出爆裂的空泡內(nèi)的尾場(chǎng)表示，這就基本建立了激光等離子體電子加速的爆裂機(jī)制的理論模型。

在實(shí)驗(yàn)方面，Leemans[22]研究小組早在2006年就通過(guò)使激光脈沖穿過(guò)毛細(xì)管放電波導(dǎo)中預(yù)形成的等離子體通道獲得了1.0 GeV 的單能電子束（見(jiàn)文獻(xiàn)[22]中的 Fig.3）。之后，Clayton 等[23]的實(shí)驗(yàn)又實(shí)現(xiàn)了用60 fs/200 TW 的激光脈沖聚焦到密度為1.3×1018cm-3、長(zhǎng)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(dá)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(shí)現(xiàn)了自引導(dǎo)。

截至目前，激光等離子體電子加速實(shí)驗(yàn)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(gè)直徑 500 μm、長(zhǎng)9 cm 的毛細(xì)管中，其中充滿徑向拋物線型密度分布的氫等離子體。當(dāng)軸上等離子體密度為 7×1017cm-3時(shí)，得到了電荷量為 6 pC、相對(duì)能散為 6%的電子束（見(jiàn)文獻(xiàn)[8]中的 Fig.5）。根據(jù)這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推，適當(dāng)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(dǎo)激光脈沖，可以獲得 10 cm 量級(jí)的電子加速距離，從而進(jìn)一步提高電子能量增益。

與此同時(shí)，用以提高能量增益的多級(jí)加速方案已被提出。2011年，Pollock 等[24]首先做了兩級(jí)加速實(shí)驗(yàn)。在他們的實(shí)驗(yàn)中，等離子體是由3 mm 的注入級(jí)與5 mm 的加速級(jí)連接而成，其中注入級(jí)充滿99.5%的氦和0.5%的氮，加速級(jí)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(jí)加速的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)的兩個(gè)等離子體噴嘴的2 mm 縫隙中，當(dāng)?shù)入x子體密度為8×1017cm-3時(shí)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(shí)驗(yàn)獲得的最終能譜來(lái)看，電子束的能散（ΔE/E）超過(guò)了50% (1.5 GeV)，還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的程度。雖然目前多級(jí)加速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還不理想，出射電子束質(zhì)量不高，能量增益也不如單級(jí)加速的能量增益高，但是多級(jí)加速的確是進(jìn)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(lái)主要的單級(jí)加速能量增益實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖，可以看出，10年時(shí)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(yīng)的等離子體長(zhǎng)度也從最初的3 mm 左右增加到了9 cm。按照這樣的趨勢(shì)，如果想要在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步提高能量增益，無(wú)論是單級(jí)加速還是多級(jí)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(duì)應(yīng)的等離子體 長(zhǎng)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(zhì)的控制與改善

出射電子束流品質(zhì)是衡量加速器質(zhì)量的重要參數(shù)，因?yàn)樗苯記Q定了加速器能否應(yīng)用及其適用范圍。2006年，爆裂機(jī)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?yàn)樽宰⑷敕椒▽?duì)電子束的電荷量、能散和發(fā)射度無(wú)法控制，所以科學(xué)家們轉(zhuǎn)而研究其他的注入方法。近年來(lái)，這方面的研究已蓬勃發(fā)展，包括光學(xué)注入[26-27]、密度轉(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)注入的重點(diǎn)在于，等離子體源要有兩個(gè)相差較大的電離能級(jí)。當(dāng)一束激光到來(lái)時(shí)，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(dāng)脈沖峰值到來(lái)時(shí)，峰值處的強(qiáng)電場(chǎng)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(shí)橫向電場(chǎng)為0，幾乎沒(méi)有橫向動(dòng)量，因此其注入近空泡的尾部時(shí)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(jìn)入激光尾場(chǎng)中的方案，它們使用氦摻雜少量的氮?dú)庾鳛榈入x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(dǎo)注入的閾值條件。

2012年，Chen M 等[31]研究了電離誘導(dǎo)注入方 法，發(fā)現(xiàn)入射激光為共振高斯激光時(shí)，電離誘導(dǎo)注入需要的最小歸一化激光場(chǎng)須滿足a0≈1.7（其中a0為歸一化后的激光矢勢(shì)），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(jié)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(dá)GeV 量級(jí)、能散小于1%的單能電子束。

除了對(duì)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(chǎng)中電子束發(fā)射度的變化過(guò)程。

Mehrling 等[34]在2012年利用三維PIC 模擬研究激光驅(qū)動(dòng)的線性或準(zhǔn)線性尾場(chǎng)中電子注入過(guò)程與發(fā)射度的變化關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，注入電子的橫向振蕩頻率與它在尾場(chǎng)中的相對(duì)相位有關(guān)。由于尾場(chǎng)中電子束并非嚴(yán)格單能，有限長(zhǎng)度電子束的每個(gè)縱向切片以不同的頻率振蕩，從而導(dǎo)致投影發(fā)射度的增長(zhǎng)。此外，如果電子束的橫向性質(zhì)與它在尾場(chǎng)中的本征橫向振蕩不匹配，則注入過(guò)程會(huì)導(dǎo)致電子束的發(fā)射度增加幾個(gè)量級(jí)。

2014年Xu X L 等[35]在模擬空泡內(nèi)部電離誘導(dǎo)注入電子的相空間分布以及電子在相空間中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)發(fā)現(xiàn)，爆裂機(jī)制下注入電子的發(fā)射度變化可以分為三個(gè)階段，而且每個(gè)階段都可能影響最終的出射束質(zhì)量。第一階段，注入過(guò)程引起了不同相位的注入粒子的縱向和橫向相混合，導(dǎo)致了初始過(guò)程的發(fā)射度的快速增長(zhǎng)。第二階段，在電離剛剛完成之后，總電子束的發(fā)射度會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)降到一個(gè)最小值。最后，發(fā)射度又會(huì)緩慢上升，最終達(dá)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(guò)程，并用統(tǒng)計(jì)的方法給出了一個(gè)理論模型，較好地解釋了模擬結(jié)果（見(jiàn)文獻(xiàn)[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(yīng)用

地球外層空間的高能粒子環(huán)境中充滿大量的太陽(yáng)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(zhì)子流[36]，此外還有高能X 射線和γ 射線 等。這些射線嚴(yán)重地影響了航天器和空間科學(xué)儀器的正常運(yùn)行，據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過(guò)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(yīng)有關(guān)[37]。而目前我國(guó)空間輻射環(huán)境試驗(yàn)及模擬方面的研究還很不完善[36]，試驗(yàn)設(shè)備也有待改進(jìn)。激光加速電子目前可獲得GeV量級(jí)的高能電子束，將其打到固體靶表面可以獲得質(zhì)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(duì)航天器的影響提供了一種簡(jiǎn)便有效的方法。

航天器空間環(huán)境模擬是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)，涉及材料科學(xué)、空間科學(xué)、探測(cè)器技術(shù)等多領(lǐng)域的交叉。利用激光加速電子技術(shù)模擬航天器空間環(huán)境，具有實(shí)驗(yàn)原理清晰、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便可控且對(duì)人體危害小等優(yōu)點(diǎn)，然而其難點(diǎn)在于如何利用激光加速電子技術(shù)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(zhì)子束、X 射線和γ 射線等的基礎(chǔ)，也是該技術(shù)的核心。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)激光加速電子技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了較系統(tǒng)的跟蹤和歸納，同時(shí)就該技術(shù)在航天器空間環(huán)境模擬研究中的應(yīng)用進(jìn)行了初探。激光加速電子技術(shù)具有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(huì)在不久的將來(lái)發(fā)揮重要作用。

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