尾流場加速器

尾流場加速器又稱雷射尾流場加速器，是利用雷射尾流場對粒子產生加速效應。

超短脈衝超強雷射在稀薄電漿中傳播時，如果雷射脈衝長度足夠短，電漿中電子將受到強大的有質動力作用，電漿將激發靜電場，靜電場的相速度接近光速，因此電子被靜電場“捕獲”後，可以加速到很高的能量。這一過程稱為雷射尾流加速(LWFA )。它可以作為設計新型電漿電子加速器的機制，目前正得到國際上廣泛的重視。

基本介紹

• 中文名：尾流場加速器
• 外文名：Wake field accelerator
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：能源工程
• 又稱：雷射尾流場加速器
• 特點：靜電場的相速度接近光速

加速器

加速器（accelerator）是用人工方法把帶電粒子加速到較高能量的裝置。利用這種裝置可以產生各種能量的電子、質子、氘核、α粒子以及其它一些重離子。利用這些直接被加速的帶電粒子與物質相作用，還可以產生多種帶電的和不帶電的次級粒子，像γ粒子、中子及多種介子、超子、反粒子等。當前世界上的加速器大多是能量在100兆電子伏以下的低能加速器，其中除一小部分用於原子核和核工程研究方面外，大部分用於其他方面，象化學、放射生物學、放射醫學、固體物理等的基礎研究以及工業照相、疾病的診斷和治療、高純物質的活化分析、某些工業產品的輻射處理、農產品及其他食品的輻射處理、模擬宇宙輻射和模擬核爆炸等。數年來還利用加速器原理，製成各種類型的離子注入機。以供半導體工業的雜質摻雜而取代熱擴散的老工藝。使半導體器件的成品率和各項性能指標大大提高。很多老工藝不能實現的新型器件不斷問世，積體電路的集成度因此而大幅度提高。

簡介

隨著雷射技術的發展，產生脈衝時間小於1ps的超短脈衝、強度大於 W/c時的超強雷射成為可能。當脈衝長度約為電漿波長的強雷射在稀薄電漿中傳播時，受縱向有質動力的作用，電子在雷射脈衝前沿和後沿被雷射脈衝排開，形成電荷分離，激發電漿靜電波。由於靜電波在雷射脈衝尾部被激發，所以激發的靜電場被稱為尾流場（Wakefield）。尾流場的振幅可達幾十GeV/m，相速度等於雷射的群速度。當電漿密度很低時，它接近光速，所以少量電子被靜電場捕獲，動能可達到幾十MeV。這就是雷射尾流場加速（laser wake field acceleration，簡稱LWFA）的物理機制。

LWFA作為超熱電子產生的重要機制，對實現“快點火”影響很大。近二十年來，對LWFA的特性和套用作的廣泛的研究表明:它能增強高次諧波的產生;將電子束注入形成尾流場的電漿，電子束可得到進一步的加速;尾流場能使入射雷射的頻率發生遷移;當入射雷射為長脈衝的高斯光束時，產生的尾流場能改變電漿的密度，從而改變電漿的折射率，使雷射沿傳播方向發生周期性的自聚焦和發散，雷射能量在入射方向上形成周期為電漿波長的片狀結構，這種現象稱為“調製不穩定性（modulation instability）"，同時這種不穩定性抑制了高斯光束的散射，使雷射在電漿中的傳播長度大大增加。

雷射尾波場加速粒子機制

在雷射加速電子機制中，現階段國際上廣泛重視和研究的主要有粒子束尾波場加速電子(Particle Weak Field Acceleration一PWFA)和雷射尾波場加速電子(Laser Weak Field Acceleration一LWFA ) 。隨著雷射技術的不斷發展，雷射尾波場加速電子將受到越來越多的關注和套用。

雷射尾波場加速電子的主要機制是:當雷射脈衝在低於臨界密度電漿中傳播時，由於電子質量小，雷射光脈衝前沿的縱向有質動力會推動電漿中的電子向前運動，使其偏離原來位置;電漿中的離子由於質量大，將幾乎保持不動。當雷射脈衝超越電子後，由於正負電荷分離而產生的靜電力會將電子往平衡位置拉，造成電子在空間的縱向振盪，形成電子電漿波。由於該等離子波是由雷射脈衝激發且存在於雷射脈衝後方，被稱為雷射尾波。雷射尾波的相速度與雷射脈衝在電漿中傳播的群速度相同。電荷分離所形成的電場稱為雷射尾波場，該縱向電場向前傳播相速度和雷射脈衝在電漿中傳播的群速度相同。隨著雷射強度的增大，激發的尾波場的振幅也增大，產生的波形會逐漸畸變，最終產生波破。

由於電漿本身是離化的離子與電子的集合體，不會因為強的尾波場而崩潰，因此雷射尾波場的強度不會受通常材料破壞閩值的限制，僅受尾波場本身波破極限的限制，其幅度就是所謂的加速梯度，可以比通常的射頻場加速器高三個量級。從二維上考慮尾波場，由於雷射脈衝在橫向上同樣存在有質動力，因此電子在被雷射向前推開同時會被雷射脈衝向兩側排開，在橫向上同樣產生空間電荷分離場，並且在雷射脈衝尾部留下一個大部分為離子的電子空穴，如圖所示，即二維和三維上尾波場呈現空泡結構，相應的加速機制由Pukhov提出，稱為“空泡加速”機制。

雷射激發的縱向尾波場在空間上沿著傳播方向呈現正向和反向交替的狀態，由於電子帶負電，正向的尾波場對電子起減速作用，是減速場;反向的尾波場對電子起加速作用，是加速場。如果尾波場為一個靜止的電場，從簡諧振盪可以知道大量電子會聚集在波節處;當尾波場具有很高相速度時，空間中的電子被雷射脈衝所激發的尾波場所“捕獲”，留在反向的尾波場中，跟隨電漿波以電漿波的相速度一起運動時，由於電漿波的相速度很高，並且尾波場自身很高的加速梯度，於是電子就能夠被加速到高能狀態。

相關問題

利用雷射尾波場加速電子，還需要考慮下面幾個問題。一方面要有足夠多的電子滿足加速捕獲條件。通常剛開始進入加速場被加速的電子速度小於尾波場的相速度，如果經過半個周期的加速場的加速後，電子的速度仍沒有趕上尾波場的相速度，則電子將進入減速場，最終電子將趕不上尾波場，就不能被捕獲;然而當電子經過半個周期的加速場的加速後，電子的速度達到了尾波場的相速度，則電子將留在加速場中，電子在尾波場中的相位保持相對恆定，跟隨尾波場繼續被加速，這樣的電子即稱為被捕獲。被捕獲的電子才能夠被持續加速到高能量。可見，滿足捕獲條件的電子必須具有一定的正向初速度。通常發生波破時刻，尾波場會將部分能量傳給電子，這部分電子就獲得較高的速度，容易進入加速場中被捕獲。另外可以通過增大電子的初速度，減小尾波的相速度與電子初速度的差值，提高電子注入和捕獲。或者增強激發的尾波場振幅，提高電漿密度，使得電子在加速場中儘可能快的獲得能量，趕上尾波相速度。 另一方面為了得到高能量的電子，必須使電子加速有足夠長的加速距離。