激光加速器

高能物理术语

激光加速器是利用激光束的高电场来加速带电粒子的一类新型加速器。激光如同微波一样，是一种电磁辐射波，但它比微波具有更短的波长、更高的功率密度。

介绍

粒子加速器是我们挑战微粒世界的得力工具，借助于它让我们发现了许多“基本”粒子，包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子。绝大部分新超铀元素也是通过粒子加速器发现的。粒子加速器还为我们合成了上千种人工放射性核素，这些东西在科学研究、生产建设和保障人们身体健康方面发挥着重大作用。接下来，人们还将建造性能更优异、能量更高的粒子加速器，挑战微粒世界一定会获得更辉煌的成就。

传统的加速器是根据带电粒子(比如电子、质子、离子等)在电场中受到的作用力而得到加速，提高粒子能量的。加速器提供的电场强度越大，带电粒子能够获得的能量越大。但是设备占地很大、成本很高。

物理学家一直在探索新的粒子加速原理，试图减少加速器的体积和长度．以及降低经费投入。光波是高频率的电磁波，与电子有强烈的交互作用。现在的激光技术能够获得很强的激光束，能够提供电场强度很高的电场，而且可获得比传统加速器更高的加速梯度，从而为缩短加速的长度带来可能。这个特点自然吸引着科学家利用激光的力来加速粒子，即制造激光加速器，并提出了各种设想。

原理及分类

归结起来，现在打算制造的激光加速器大致可分为两类：一是激光在气体中或等离子体中传播产生激光尾场并加速粒子；另一是直接利用激光束的推动力加速粒子。

激光尾场加速器

用激光加速粒子这个设想早在激光发明的初期就已经提出来了。用激光尾流场来加速电子的设想是在1979年由Tajima T和Dawson J M提出的。由于激光尾流场的电场强度可以达到V/m，因此将具有一定初始能量的电子注入到等离子体波后，有可能把电子加速到很高的能量。随后有很多实验研究，基本证实了存在这种加速机制。

激光束直接加速粒子

在真空室中用激光束的推动力直接加速粒子，实际上就是几种构造激光束的纵向加速电场方法。

（1）对称交叉传播激光束加速粒子

激光束的电场和磁场与激光束传播方向垂直，所以，如果让粒子的运动方向与激光束的传播方向相同，那么粒子就得不到激光束的电场加速。但是，如果激光束不是沿粒子束运动方向传播，而是与粒子运动轴向交叉成一个角度入射．那么，根据力学分解知识我们知道．此时在粒子运动方向上存在一个光电场分量．亦即粒子受到了一个纵向作用力。当然，这时候粒子也同时受到横向光电场作用力．影响着加速器质量。如果把多束激光对称地从不同方向入射到粒子束。那么这些横向作用力便彼此抵消，在沿粒子运动轴线上合成一个轴向加速电场，粒子接受沿轴向作用力加速。由于几何聚焦作用，场强会随离轴距离增大而减小。

（2）激光近场加速

强激光束投射到金属光栅或者平滑的电介质表面时，在它们的表面附近会产生相速小于光速传播速度的加速场．场的方向是轴向．其强度沿离开表面距离呈指数形式迅速降低．一般来说在与表面距离为波长的量级时．加速场的强度便衰减为表面值的1/e，即大约为1/3。因此，被加速的粒子必须沿物质结构表面运动，这样一来加速器的接收度就变得很小。另一方面，最高场强是在物质结构表面。因此，可用于加速的场强也就受到结核发生电场击穿的限制，加速电场的强度不能很大。这两方面是近场加速方案的根本性弱点。

（3）激光反向自由电子加速

自由电子激光器是利用相对论电子群发射相干辐射的激光器，一个由空间周期交替排布磁铁组成的系统(称摆动器)，当一束相对论电子在其中通过时会产生辐射。电子快速通过摆动器，站在电子的立场来看等效于它受到一个迎面而来的电磁场作用，它本身是在做振荡运动。如果电子振荡运动的位相与摆动器电磁场方向相反，电子做阻尼振荡，它的动能将转换为辐射能，一束通过摆动器的激光获得能量，强度不断获得增强，这便是自由电子激光；如果我们通过调整，把它们之间的相位关系变成相同，那么电子便被通过摆动器的激光束加速。

应用情况

目前激光加速器还处于探索阶段，还有许多复杂的技术问题有待解决。但是激光加速器无疑是加速器发展的方向，有着巨大的生命力。人们提出了不同机制的激光加速器，比如：光栅加速器，契伦柯夫激光加速器，厘米波高梯度加速器，拍频波加速器，逆自由电子激光加速器，双波加速器等。除以上列举的激光加速器之外，还有其他一些机制的加速器，并且随着一些新原理的出现，激光加速器概念的内涵还在扩展。

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