激光加速电子研究进展及其在空间环境模拟中的应用前景

孙书营，黄永盛，汤秀章

（中国原子能科学研究院 高功率准分子激光实验室，北京 102413）

0 引言

近年来激光技术发展迅猛，超短超强激光的功率密度已经达到1022W/cm2，脉冲宽度已经可以降低到10-17s 量级。超短超强激光与物质相互作用的过程中会在瞬间产生极端的等离子体物态条件和极强的加速电场，利用这种加速场可以获得相对论的粒子束团。目前，超短超强激光已被用来产生高能电子束[1-2]、离子束[3-4]，并进一步用来产生X 射线[5]、γ 射线[6]等强电离辐射环境，有可能为模拟空间高能带电粒子环境及开展相关研究提供新的平台。例如上海交通大学的Dong Q L 等利用超短超强激光在实验室中对黑洞边缘的光电离过程和太阳火焰中的磁重联现象进行了模拟研究，取得了突破性进展[7]。2004年以来超短超强激光加速产生电子在能量增益的提升和束流品质的改善两个方面取得了许多进展。目前激光加速产生电子束的最高能量已经可以达到4.2 GeV[8]，相对能散最低小于1%[9]。最近《Nature》有文章报道，在SLAC 加速器上的实验初步证明，等离子体加速电子可以在保证高能量增益的同时保持较高的能量转换效率[10]。利用激光加速获得的高能电子轰击固体靶可以产生硬X射线、高能量的γ 射线以及密度接近1021m-3的正负电子对。

本文首先介绍激光加速电子的基本原理与特点，其次讨论几种重要的加速机制以及它们各自的特点和应用范围，然后重点回顾近十年来提升能量增益和改善束流品质两方面最新的实验和理论研究进展。最后对激光加速电子在空间环境模拟研究中的应用进行展望。

1 激光加速电子的基本原理与特点

激光加速电子最初由Tajima 和Dawson[1]于1979年提出。与传统加速器不同，激光等离子体电子加速器（简称激光电子加速器）使用由激光激发的等离子体波加速电子。当一束超短超强的激光脉冲聚焦并照射气体等离子体时，聚焦区域中的电子会被激光的有质动力势排离开，而离子因质量大仍停留在聚焦区域。因此，当激光脉冲不照射时，被排离开的电子又会被离子的库仑作用力拉回到原来位置，并且由于惯性，电子回到初始位置后会继续运动，这样就产生了等离子体内电子的振荡波，即激光激发的等离子体尾场。这个尾场是沿着激光传播方向（纵向）的，处于特定相位的电子会像“冲浪”一样被尾场加速到很高的能量，如图1所示。

图1 激光加速电子的基本原理 Fig.1 Fundamental principle of laser electron acceleration

传统电子加速器由于受到器壁材料的击穿场强限制，其最高加速梯度只有100 MV/m 左右[2]。想要获得更高能量增益，必须扩大加速器的规模。然而加速器规模的提升带来的是研究经费的超额增加。当今基础科学和空间科学领域的科学研究迫切需要高能量的粒子束，这就需要我们研究一种新的高加速梯度的加速方案，而激光电子加速器恰好能满足这种需求。激光加速电子的优势之一就是加速梯度高：激光电子加速器所能承受的加速梯度约为E0≈96GV/m，要比传统电子加速器高3 个量级，这有助于同量级地缩小加速器的规模。

激光电子加速器的另一特点就是出射电子束是脉冲式的，束流强度很容易达到 1 kA 量级[2]。这样的电子束在激发X 射线、γ 射线和制造新型X 射线自由电子激光等方面有着广泛的应用前景[2,5]。

2 几种重要的加速机制

20世纪80年代，科学家们基于以上的基本原理提出了许多种加速机制，其中包括激光尾场加速（laser wakefield acceleration，LWFA）[1,11-12]、等离子体拍频波加速（plasma beat wave acceleration，PBWA）[13]、自调制的激光尾场加速（self-modulated LWFA）[14]等。

在激光尾场加速机制下，当脉冲长度小于或等于等离子体波长的激光入射到稀薄等离子体中时，能够激发出振幅最大的尾场，并且其相速度接近于光速c，该尾场将会在一段较长的距离内把电子加速到很高的能量，最终电子会脱离尾场的束缚。

PBWA 最初是作为激光尾场加速的备用机制被提出来的，因为当时还无法获得超短超强的飞秒激光脉冲。在这种机制下，使用两束不同波长的激光脉冲干涉所产生的激光拍频波作为驱动源，在效果上就像是一系列短激光脉冲，其激发出的等离子体波振幅是单个短激光脉冲激发出的等离子体波振幅的N倍，并且可同量级地提高电子能量增益，其中N为激光拍频波的周期数。1992年，Kitagawa 等[15]利用这种方法得到了能量超过 10 MeV 的电子束。

如果将激光尾场加速机制下的激光脉冲改为长度大于等离子体波长的激光脉冲，且将脉冲强度提高到可以发生自引导的情况，则该长脉冲的末端会受到其前端产生的等离子体尾场的调制作用，被尾场切割成一系列的短脉冲，该过程称为自调制。这些短脉冲分别激发出的尾场会产生共振，大大增强尾场振幅，并同量级地提高能量增益。利用这一效应的激光尾场加速机制称为自调制的激光尾场加速机制。1995年，Coverdale 等[16]首先用实验证实了这一加速机制。

3 激光加速电子的研究进展

得益于20世纪90年代激光啁啾脉冲放大（CPA）技术的发展，激光等离子体加速的研究也取得了重大突破。2004年，来自三个不同研究小组的科学家首次在实验上利用激光等离子体加速电子获得了准单能的电子束[17-19]。此后的10年时间内，激光电子加速器取得了快速发展，获得了非常多的研究成果。表1给出了激光电子加速器截至目前可 以获得的最优参数；需要说明的是，这些参数不是同时达到的，但它们之间有一定的互相制约。

表 1 目前实验上可以获得的电子束参数 Table1 The electron beam parameters attainable in experiments

概括而言，自2004年之后，激光等离子体电子加速的研究主要集中在提高能量增益和提高电子束流品质两个方面。下面从这两个方面分别回顾激光等离子体电子加速的研究进展。

3.1 能量增益的提升

提高出射电子束团的能量增益[8,19-25]一直是激光等离子体电子加速研究的主攻方向之一。2004年，三个研究小组获得的准单能电子束的能量增益均在 100 MeV 左右。值得注意的是，Faure 小组[19]获得了中心能量为170 MeV 的准单能电子束，而且他们的实验结果清晰地显示出非线性的等离子体尾场。为了解释这样的实验结果，他们给出了电子束的能量增益相对于激光和等离子体参数的定标律；为了进一步提高能量增益，需要一个多维的非线性模型。

2006年，Lu W 等[20-21]建立了多维相对论性等离子体尾场的非线性理论，即所谓的爆裂机制（blow-out regime）或“空泡”机制（bubble regime），给出了尾场振幅与激光和等离子体参数的关系，进一步为出射电子束的能量增益定标提供了理论基础。他们从Lorentz 规范下的Maxwell 方程组和流体运动方程出发，利用冷流体模型和类波假设以及准静态近似，导出了等离子体尾场的赝势、场强和电荷及电流密度组成的方程环。然后，他们讨论了等离子体爆裂的条件，即等离子体电子发生轨迹交叉的条件。基于以上的分析，他们假设当等离子体发生爆裂时电子被完全排离开，从而形成一个纯离子柱（见文献[20]中的 Fig.1），并给出了此时积分形式的尾场势。据此可以求出爆裂的空泡内的尾场表示，这就基本建立了激光等离子体电子加速的爆裂机制的理论模型。

在实验方面，Leemans[22]研究小组早在2006年就通过使激光脉冲穿过毛细管放电波导中预形成的等离子体通道获得了1.0 GeV 的单能电子束（见文献[22]中的 Fig.3）。之后，Clayton 等[23]的实验又实现了用60 fs/200 TW 的激光脉冲聚焦到密度为1.3×1018cm-3、长为1.3 cm 的等离子体中，获得了大于1 GeV 的电子束，最高的电子能量可达1.45 GeV。值得一提的是，他们根据出射激光的光谱和空间分布推断，激光在等离子体中实现了自引导。

截至目前，激光等离子体电子加速实验的最高能量增益为4.2 GeV。Leemans 等[8]使用40 fs/ 0.3 PW/815 nm、聚焦尺寸为52 µm 的激光，聚焦到一个直径 500 µm、长9 cm 的毛细管中，其中充满径向抛物线型密度分布的氢等离子体。当轴上等离子体密度为 7×1017cm-3时，得到了电荷量为 6 pC、相对能散为 6%的电子束（见文献[8]中的 Fig.5）。根据这样的实验结果外推，适当控制等离子体参数和激光聚焦，并用放电或其他方法引导激光脉冲，可以获得 10 cm 量级的电子加速距离，从而进一步提高电子能量增益。

与此同时，用以提高能量增益的多级加速方案已被提出。2011年，Pollock 等[24]首先做了两级加速实验。在他们的实验中，等离子体是由3 mm 的注入级与5 mm 的加速级连接而成，其中注入级充满99.5%的氦和0.5%的氮，加速级充满纯氦，使用60 fs/40 TW 的激光，得到了约35 pC/(460±25)MeV的电子束。在2013年，Kim H T 等[25]则将两级加速的实验结果大大提升。他们使用了最大辐出度为3×1019W/cm2的激光脉冲聚焦到4 mm+10 mm长的两个等离子体喷嘴的2 mm 缝隙中，当等离子体密度为8×1017cm-3时获得了能量增益超3 GeV 的电子束，出射束的发散角约为4 mrad，总电荷量为80 pC，2 GeV 以上电子的电荷量约为10 pC。但是，从他们实验获得的最终能谱来看，电子束的能散（ΔE/E）超过了50% (1.5 GeV)，还远未达到实际应用的程度。虽然目前多级加速的实验结果还不理想，出射电子束质量不高，能量增益也不如单级加速的能量增益高，但是多级加速的确是进一步提高电子束能量增益的非常重要且可行的方案。

图2给出了近10年来主要的单级加速能量增益实验结果的对比图，可以看出，10年时间内，激光加速电子的能量增益从最初的100 MeV 左右增加到了4.2 GeV，而为了提高能量增益，相应的等离子体长度也从最初的3 mm 左右增加到了9 cm。按照这样的趋势，如果想要在实验上进一步提高能量增益，无论是单级加速还是多级加速，都需要继续增大加速距离。

图2 激光加速电子的能量增益和对应的等离子体 长度逐年变化图 Fig.2 The variations of electron energy gain and relative plasma length during the last ten years

3.2 束流品质的控制与改善

出射电子束流品质是衡量加速器质量的重要参数，因为它直接决定了加速器能否应用及其适用范围。2006年，爆裂机制下的自注入电子束已经可以产生能散为 2.5% 的电子束[22]，但是因为自注入方法对电子束的电荷量、能散和发射度无法控制，所以科学家们转而研究其他的注入方法。近年来，这方面的研究已蓬勃发展，包括光学注入[26-27]、密度转换控制的注入[28-29]在内的多种注入方案特别是电离诱导注入方案[30-34]在降低出射电子束的发射度方面效果显著。

电离诱导注入的重点在于，等离子体源要有两个相差较大的电离能级。当一束激光到来时，其脉冲前沿先将电离能较低的电子电离，产生等离子体；当脉冲峰值到来时，峰值处的强电场将电离能较高的电子电离。由于这些电子是在空泡内部产生的，且产生时横向电场为0，几乎没有横向动量，因此其注入近空泡的尾部时横向振幅较小，这就有效降低了最终出射电子束的初始发射度。2010年，Pak 等[30]首先研究了隧穿电离的电子注入进入激光尾场中的方案，它们使用氦掺杂少量的氮气作为等离子体源，利用氮的K 层电子作为注入电子，给出了发生隧穿电离诱导注入的阈值条件。

2012年，Chen M 等[31]研究了电离诱导注入方 法，发现入射激光为共振高斯激光时，电离诱导注入需要的最小归一化激光场须满足a0≈1.7（其中a0为归一化后的激光矢势），出射电子束的最小能散取决于隧穿电离产生电子的初始注入相位的发散程度。根据他们的二维PIC（particle-in-cell）模拟结果，用电离的电子密度为1018cm-3等离子体可以产生电荷量为10 pC、中心能量达GeV 量级、能散小于1%的单能电子束。

除了对各种注入方法的研究之外，有些研究人员[34-35]还考察了激光尾场中电子束发射度的变化过程。

Mehrling 等[34]在2012年利用三维PIC 模拟研究激光驱动的线性或准线性尾场中电子注入过程与发射度的变化关系时发现，注入电子的横向振荡频率与它在尾场中的相对相位有关。由于尾场中电子束并非严格单能，有限长度电子束的每个纵向切片以不同的频率振荡，从而导致投影发射度的增长。此外，如果电子束的横向性质与它在尾场中的本征横向振荡不匹配，则注入过程会导致电子束的发射度增加几个量级。

2014年Xu X L 等[35]在模拟空泡内部电离诱导注入电子的相空间分布以及电子在相空间中的运动过程时发现，爆裂机制下注入电子的发射度变化可以分为三个阶段，而且每个阶段都可能影响最终的出射束质量。第一阶段，注入过程引起了不同相位的注入粒子的纵向和横向相混合，导致了初始过程的发射度的快速增长。第二阶段，在电离刚刚完成之后，总电子束的发射度会在较短时间内降到一个最小值。最后，发射度又会缓慢上升，最终达到饱和值。他们用电子束的横向相图的变化清晰地解释了这一过程，并用统计的方法给出了一个理论模型，较好地解释了模拟结果（见文献[34]中的 Fig.2）。

4 激光加速电子在空间环境模拟研究中的 应用

地球外层空间的高能粒子环境中充满大量的太阳宇宙射线和银河宇宙射线，它们主要是高能电子流和高能质子流[36]，此外还有高能X 射线和γ 射线 等。这些射线严重地影响了航天器和空间科学仪器的正常运行，据统计，超过40%的航天器在轨故障与空间环境中的高能带电粒子引起的航天器表面和内部带电、单粒子效应有关[37]。而目前我国空间辐射环境试验及模拟方面的研究还很不完善[36]，试验设备也有待改进。激光加速电子目前可获得GeV量级的高能电子束，将其打到固体靶表面可以获得质子束、高能X 射线或γ 射线等，这为在地面模拟研究空间高能射线对航天器的影响提供了一种简便有效的方法。

航天器空间环境模拟是一项非常复杂的技术，涉及材料科学、空间科学、探测器技术等多领域的交叉。利用激光加速电子技术模拟航天器空间环境，具有实验原理清晰、设备简单、操作方便可控且对人体危害小等优点，然而其难点在于如何利用激光加速电子技术产生出能量、发散角、能散三者均可控的高亮度电子束，这是下一步产生质子束、X 射线和γ 射线等的基础，也是该技术的核心。

5 结束语

本文对激光加速电子技术的研究进展进行了较系统的跟踪和归纳，同时就该技术在航天器空间环境模拟研究中的应用进行了初探。激光加速电子技术具有很多技术优势，而且发展已日臻成熟，这将为航天器空间环境模拟研究提供一种新的解决方案，相信它会在不久的将来发挥重要作用。

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