奥创光子:浅析飞秒激光加速器与传统加速器的对比与价值

引言

 

一百一十年以前的夏天,一台原始的粒子加速器现世,为科学家打开了原子核的大门。一百一十年以后的今天,飞秒激光加速器现世,为人民大众铺出了一条治疗癌症的康庄大道。

 

如今急速发展的飞秒光源不仅仅用于加工与探测,也用其飞秒独有的超高能量密度为医疗界与高能物理学界,在皮秒与纳秒无法触及的领域闯出一条新的道路,本文将为大家浅析飞秒激光加速器与传统加速器的对比情况。

 


 

加速器不断推陈出新

激光加速器面世

 

“唯有将粒子进行毁灭式的碰撞,我们才能在毁灭中看见希望”

 

随着人们对微观世界的不断深入研究,粒子潮流以不可阻挡之势席卷而来。各种原理、各类形式的加速器在几十年的研发、更迭中层出不穷,将物理研究带入了真正的“氪金”时代。

 

粒子加速器抽象模型

 

然而动辄几十亿至上千亿的造价依旧令普通的科研人员望而生畏,如前些年我国预备投入建造粒子对撞机的计划最终因1400亿造价而被反对者以一票的优势打下马来,在如此环境下,激光加速器无疑是为迷途中的物理学家们打开了一扇天窗。

 

欧洲核子中心粒子加速器

 

飞秒激光加速器与

传统加速器的对比与价值

 

在高能粒子对撞机方面,传统的粒子加速器电场能量受到材料损伤阈值的限制,最高强度为100MV/m左右,而飞秒激光掠过后形成的振荡电场强度可达数百GV/m,形象的来说,欧洲核子中心全场预设27km的巨大粒子对撞机加速器,如果由激光尾场来加速仅20m左右就可以达到同样的效果。

 

然而众所周知,飞秒激光器的光束直径往往在毫米数量级,那么伴随而来的问题是如何得到10m数量级尺寸的激光为离子提供加速?

 

美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家给出了有希望的方案,他们设想将数百个激光加速器串联,理论上其效果可比肩欧洲核子中心预计建设的造价1600亿人民币的未来环形对撞机,而数百个飞秒激光加速器的串联造价在技术完善的情况下可估算在100亿以内,相比于传统环形加速器有着极大的经济优势。

 

在治疗癌症方面,1954年美国加州大学进行了世界上首次质子治疗,一台传统的用于治疗癌症的质子或重粒子癌症治疗装置的造价往往在十亿上下,耗时十年人力才能制造而成,目前国内仅有五家治疗中心,我国第一台质子加速器治疗设备于2002年引入。

 

质子治疗中心图

 

近日,中科院上海应用物理研究所,中科院上海高等研究所,上海艾普强粒子设备有限公司,上海交通大学附属医院瑞金医院联合开发的首台国产质子治疗系统被国家批准上市,圆环形同步加速器总长22m有余,质子治疗作为可能是成功率更高的癌症医疗手段,为世界上各个国家所看重,在2012年立项指出,上海成立了专项公司进行投资,而如今在上海嘉定,总投资10亿元的小型化质子与多粒子治疗设备正在研发与产业化。

 

而2012年8月,北京大学成立飞秒激光加速器治疗装置项目,估算资金仅6700万元,估算成本不足传统加速器的十分之一,虽然治疗装置尚未问世,但从如此数字管中窥豹,可见其前景令人兴奋。

 

飞秒激光加速器原理简介

 

飞秒激光可以通过多种方式实现加速,主要分为激光直接加速与尾场加速。

 

1979年,Tajima T与Dawson J M提出利用激光尾流加速离子的方法,随着1972年啁啾脉冲放大(CPA)技术的提出,激光强度得到大大提升,人们将高强度激光射入在临界密度附近的等离子体介质中,是等离子体中的自由电子在高电磁场的作用下以相对论量级的速度进行振荡,在沿着激光光强梯度的方向上,自由电子形成密度梯度,即人们所述的电子空穴,也称为“空泡”结构。

 

这种空泡结构提供了很强的纵向静电场,电子会为空泡中的静电场捕获并加速,达到相对论级别的速度,等离子体尾场加速中的电场在密度为1018W/cm2时可以提供约100GeV/m的加速梯度,其加速梯度高于传统加速器梯度上限的三个数量级,十分利于加速器的小型化。

 

等离子体中的带电粒子接收到的激光动力可以表示为:

 

 

其中a为激光的归一化矢势,用于描述激光强度,可以表示为:

 

 

在尾场加速中,如何引入电子到等离子体中,即电子的注入机制是人们研究的热点问题。

 

对于激光器而言,需要高密度的等离子体来帮助激光器聚焦,使其能量密度达到电子注入所需的阈值,空泡结构在等离子体中并不能维持长时间的传播,这要求人们在数百微米内完成电子的注入以及加速。

 

出于改善电子注入方式的目的,在传统的自注入基础上,人们又提出了离化注入、密度梯度注入等多种方式。下图为激光入射等离子体后的空泡形成示意图与空泡分布结果模拟图。

 

空泡形成示意图

 

空泡分布结果模拟图

 

除尾场加速外,对于加速电子而言,激光直接加速、拍频波加速、自调制尾场加速、束流驱动尾场加速等方法也逐渐问世。而对于质量较大的质子而言,光压加速、冲击波加速、相对论自诱导加速等方法被一一提出,如今都是激光加速器未来可能的发展方向。

 

为了得到足够的加速度,激光加速器对电场的场强提出了要求,对电场的要求就意味着对激光尾场的强度要求,同样意味着激光在时间与空间上的能量密度有要求。这就要求光斑在足够小的同时,脉冲持续时间也要足够短,而飞秒激光器恰恰能满足。

 

飞秒激光加速器发展近况

 

激光加速器的发展基础自然是激光器,自20世纪90年代钛蓝宝石激光器出现以来,激光器的极限功率得到了提高,超快激光器的脉宽也缩短至20~50fs,只有如此短的飞秒脉冲才能提供足够高的能量密度,上文所述的激光尾场加速方法才算正式被提上世界日程。

 

2002年巴黎综合理工学院LOA实验室得到脉冲长度35fs、强度3*1018W/cm2的激光聚焦至3mm的喷嘴气体上,得到了200MeV的加速电子,这是激光电子加速器第一次带着加速电子能量指标跨入百兆电子伏特数量级。

 

到2014年,美国劳伦斯伯克利国家实验室通过9cm长的放电毛细光来引导峰值功率为300TW的激光,得到了中心能量4.2GeV的电子束,这也是目前为止人类使用飞秒激光加速器得到的最高电子能量。

 

而到了2016年,他们实现了两级加速器的串联,标志着激光加速器可以进入串联时代。伯克利国家实验室引领着世界激光加速器的前进。他们冲击高能量电子束的同时,也致力于开发紧凑型光源,意在将加速器引入生活,使其不再成为只有少数人才能接触的产物。

 

如今,实验室的加速中心一号机器提供在1HZ重频下的40焦耳单脉冲激光,脉冲时间30fs,二号机器提供两个放大器阵列,分别提供50TW与10TW的脉冲,脉冲时间40fs,用于产生超高加速场(1-100GV/m)。最新报道已经得到8GeV的电子束与数MeV的离子束。2019年,A.J.Gonsalves等人利用拍瓦激光装置,使用20cm长毛细管引导激光,延长尾场加速距离,得到7.8GeV的高能电子束。

 

劳伦斯伯克利国家实验室激光装置

 

2022年11月14日,上海光机所报道其强激光物理国家重点实验室研究团队使用羲和激光装置输出峰值功率为10PW的激光至金属靶上,获得能量为62.5Mev的高能质子束,在激光加速器的质子加速方面处于国际领先水平之一,本次使用的激光单脉冲能量为72J,脉宽30fs,焦斑半高全宽为6μm,光强达2*1021W/cm2,相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering2022年第四期。

 

 

在能量方面,飞秒激光加速器的能力已经达到目前的应用需求,然而产生的电子束的其他指标如能散,电量,发射度等仍然不在应用要求范围内,这是飞秒激光尾场加速踏入实际应用必须解决的问题。

 

飞秒激光加速器发展小结

 

总而言之,目前飞秒激光加速器的威力已是管中窥豹可见一斑,在能量方面不断突破,在引导激光场方法上不断推陈出新,其相比于传统加速器10%的预估造价与7%的预估体积都具有无可替代的优势,我们可以看到飞秒激光器在两个全新的领域又下一城。

 

人类发展历程艰涩蜿蜒,飞秒激光加速器便是这其中的一道门槛,其前景如浩瀚星辰让人神往,其道路亦如崎岖山岭使从事于飞秒行业的我们严阵以待,步步为营,作为一种在医疗等探索领域有绝对潜力的项目,人类对于它的开发与探索虽千万险而往矣,飞秒激光器的一步步成长,奥创光子将与大家一同见证。

 

参考文献:[1]激光等离子体加速器:原理,现状以及展望,颜学庆.现代物理知识,2017

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