等离子体加速器原理

　　强激光脉冲在等离子体中(简单起见，电离气体)传输时，激光脉冲的有质动力将把等离子体中的自由电子排出，当电子偏离其初始位置时，将被原位置处的正离子拉回并做往复振荡，电子与离子之间的相对运动形成了纵向的电子密度波“等离子体尾场”如同运动的船只形成的水波，图13所示分别为线性和非线性等离子体尾波场形成的过程。由于尾场是以激光脉冲速度传播的，因此能将有望将粒子加速到相对论能量。

　　作用领域

　　激光强度峰值时的归一化矢势表示为a0≈0.855×(I18λμm2)1/2，在较低激光强度下(a0<<1)，尾场是正弦形式的，如图13(a)和图14(a)所示，等离子体波和加速电场的幅度均正比于激光强度。在高强度下(a0>~1)，相对论电子质量增加下降等离子体的频率，增加等离子体波的波长并引起尾场形成锯齿般的轮廓。由于激光强度在横向方向的变化，如图13(b)所示等离子体波波前呈现锯齿状。

　　Tajima和Dawson在1979年撰写了先驱性的论文(Phys. Rev. Lett. 43， 267~270 (1979))，文中提出了等离子体加速器的原理。核心概念即通过强激光脉冲激发相对论等离子体波，脉冲持续时间小于等离子体周期——“激光尾场加速器”(LWFA)。

　　等离子体激波加速(PBWA)

　　该方案为两束相向传输的激光脉冲，波数和频率分别为k1，2，ω1，2，调制激光场为cos(1/2(Δkz-Δωt))。如图14(b)所示，当Δω=ωp时，等离子体波将共振激发。 1993年，加州洛杉矶大学首次验证了PBWA方案电子加速，实验采用70J，300ps激光脉冲将高频射线枪产生的2.1MeV的电子加速到9.1MeV(Phys. Rev. Lett. 70， 37~40(1993))。PBWA机制本身存在着局限性：随着等离子体波幅度的增长，电子相对论质量的增加导致等离子体频率下降，导致激波失谐以及等离子体波的幅度饱和，该效应限制了该方案的进展。

　　自调制尾场加速(SM-LWFA)

　　Andreev和Krall首次理论上提出了自调制激光尾场加速方案。激光脉冲长度cτ>>λp，如图14(c)所示，在激光和等离子体作用中脉冲被调制在等离子体频率。调制主要由以下两种机制引起：1) 激光脉冲前端所激发的等离子体波在低(高)轴密度的聚焦(散焦)；2) 驱动激光和前向拉曼散射的激振ω0+ωp；SM-LWFAs实验在上世纪九十年代开展，皮秒脉冲宽度，能量达到几十焦耳的激光同密度为1019cm-3等离子体相互作用。如图15(b)所示当时获得的电子能谱，最高94MeV。

空泡加速

　　Rosenzweig(Phys. Rev. A 44， R6189~R6192 (1991))的工作中采用了短脉冲离子束来驱动等离子体波的方法，研究发现等离子体中电子完全被从轴上区域排开，从而形成了如图14(b)所示的理想电子束加速的场结构。Pukhov和Meyer-ter-Vehn(Appl. Phys. B 74， 355~361(2002))。研究了超强超短激光脉冲作用下尾场的形成，结果表明空泡尾部的部分电子能够被捕获，更为重要的是，被加速的电子能谱是分立的，而不是SM-LWFA所形成的准热能谱。实验上的首次验证完成于2004年，帝国理工大学，劳伦斯伯克利国家实验室，法国光学实验室相继报道了空泡电子加速的结果。如图15所示介绍了帝国理工学院在卢瑟福-阿普尔顿实验室的Astra激光装置上获得的结果(Nature 431，535~538(2004))电子峰值能量86MeV，能散度2%。

　　波导等离子体加速

　　牛津大学的Hooker等设计一种产生等离子体通道的方法：直径200~300μm，长度为几十毫米的宝石或者铝制毛细管，两端开口，内部可充氦气，如图16(a)所示，包含了一个控制电子注入的气体喷嘴，通过泵浦毛细管放电使其内部形成等离子体，并在轴线上形成低密度区域。如图16(b)所示，该方法获得的电子能量首次接近1GeV (Nature Phys. 2， 696~699 (2006))。

等离子体加速器应用

　　激光等离子体加速器在驱动产生强辐射源方向有重大优势，如图17所示，将电子束通过磁波荡器时，将产生可见光及软X射线波段辐射，Fuchs等(Nature Phys. 5， 826~829(2009))将200MeV的电子通过波荡器产生了17nm和9nm波长的辐射，峰值亮度为1.3×1017s-1mard-2mm-20.1%BW-1。此外，激光尾场内横向电场对电子振荡的调制作用也将发射较强的短波辐射，即电子回旋振荡辐射。Kneip等测量250MeV电子回旋振荡发射1~100keV的X射线辐射，并在10keV处产生1×1022PSB峰值亮度(Nature Phys. 6，980~983(2010))。

　　随着超强超快激光技术的发展，激光等离子体加速器将展开新的篇章：时间分辨科学以及百GeV粒子加速。新的研究进展需要不但高能激光系统的研发，更需要等离子体物理，粒子物理以及传统直线加速器科学科研小组之间的相互协作和共同努力。