从太赫兹波到光波驱动的集成电子加速器研究进展

粒子加速器极大地推动了近代科学的发展。目前成熟的射频加速方案受限于不足100 MV/m的加速梯度，面临造价高、占地面积广、建设周期长等挑战，同时也限制了其在一些领域的应用和推广。因此，寻求新型的电子加速技术已成为加速器领域的重要研究方向。在更高频率的太赫兹和光频波段，太赫兹波导加速和电介质激光加速技术能够提供高达GV/m量级的加速梯度，近年来已相继实现了对非相对论和相对论电子的加速及相空间操控（如脉宽压缩、空间聚焦等），并演示了级联加速方案，为实现小型化的集成加速器奠定了基础。未来，集成加速器有望在实验室范围实现大型射频粒子加速器的功能，并引起物理、化学、生命科学、医学等多学科领域的突破。为更好地把握集成电子加速器的发展，梳理了从太赫兹波到光波驱动的电子加速研究进展，介绍了相干电子源和束流控制的相关技术，并进一步展望了新型集成加速器的研究和应用。     

在静磁场辅助下用强激光加速质子

1　引言传统的射频直线加速器由于其结构壁上的加热或破损 ,加速度梯度限于约 50 Me V/m。要将带电粒子加速至高能量 ,须将加速器做得很大 ,或开发可提供甚高加速度梯度的新加速方法。基于等离子体的高能粒子加速器具有超高激光驱动等离子体波加速度梯度 ,引起人们极大兴趣。这类装置不受介电破损限制 ,其电场梯度 (每米几十吉伏 )比传统射频直线加速器高几个数量级。早在 1 979年 ,Tajima和 Dawson即提出一些基于等离子体的激光驱动加速器 ,包括等离子体脉冲波加速器 ( PBWA)和激光尾迹场加速器( LWFA)。啁啾脉冲放大 ( CPA)技术的高…     

以激光拍频波加速粒子

以激光拍频波加速粒子法国理工大学和有关实验室的Ｆ．Ａｍｉｒｒａ－ｎｏｆｆ等人最近实验证明，用高峰值功率Ｎｄ：玻璃激光可能加速粒子。众所周知，高峰值功率激光能产生大于１００ＧＶ／ｍ的电磁场，但这种横向波的性质不允许它们对粒子作直接有效的加速。不过，可使...     

激光尾波场电子加速及新型辐射源（特邀）

受益于超短超强激光技术的持续迅猛发展,飞秒强激光为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件,使激光物质相互作用进入到一个极端非线性的强场超快新范畴,催生了大量新原理、新现象,推动了技术变革。飞秒强激光驱动的等离子体尾波场加速原理是一种具有超高加速梯度的粒子加速新原理,该技术的加速梯度可达100 GV/m,相比于传统射频加速器提高了3个数量级以上,可在厘米量级的加速长度内获得GeV量级的高品质高能电子束,极大地降低了加速器的成本,为发展新一代粒子加速技术和新型超快辐射源提供了新机遇和新途径。从飞秒强激光驱动等离子体尾波场中的电子注入、能量啁啾控制和高品质电子束产生以及基于高品质电子束的betatron X射线辐射、高能伽马射线和小型化自由电子激光这几个方面介绍了激光等离子体尾波场电子加速的若干主要研究进展,并对未来进行了展望。     

等离子体尾波的数值研究

应用一维粒子模拟方法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｉｎ－Ｃｅｌ）数值研究了超短超强激光（Ｉλ２＞１０１８Ｗμｍ２／ｃｍ２）和稀薄等离子体相互作用后等离子体尾波的产生及其对电子的加速。结果表明，单束激光和拍波与稀薄等离子体相互作用后，在等离子体中都能激发起尾波，但拍波激发的等离子体尾波的强度和波长较大，同时等离子体中的电子动量也给加速得比较大     

强激光驱动的运动电场加速质子的研究

为了研究激光辐射压驱动的运动电场中加速质子的相关问题,对强激光与等离子体相互作用过程进行了理论分析,并采用2维粒子模拟方法,对理论分析结果进行了数值模拟验证。结果表明,当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时,在固体靶后部形成一个由电子层-离子层组成的双层结构,在激光辐射压的不断推进下,双层结构在背景等离子体里以一定速度传播形成一个运动电场;在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量,质子的最大能量达到20GeV。理论分析结果与2维粒子模拟结果符合得很好。     

电子设备抗单粒子翻转地面实验技术研究

单粒子翻转对应用在航天领域的电子设备的可靠性具有重大的影响，依靠加速器产生的重粒子进行单粒子翻转的模拟实验，是一种有效的验证方法，本文通过在兰州近代物理研究所加速器上进行的风云一号卫星星载固态记录路单粒子反转实验，介绍了利用加速器进行验证电子设备系统级抗单粒子翻转技术的实验方法。     

可用于研究粒子物理性质的台式兆兆瓦激光器

在研究物理学最基本理论的许多实验中所用的将亚原子粒子加速到接近于光速的实验装置,其长度可能长达数千米,而使用正在着手研究的台式兆兆瓦(T~3)激光器系统有望将这类粒子加速器的大小(也可能包括造价)成百倍地缩减.多年来物理学家们已经认识到运用在等离子体中存在的巨大的电场梯度去产生高能粒子是一种较为廉价的方法.在LawrenceBenkeley国家实验室中(LBNL;Berkeley,CA)使用兆兆瓦系统实验验证了这种方法较其它方法节省开支.在20世纪60年代初期,相对论电子激光散射能被用来产生低级的X射线,甚至γ     

真空,气体及等离子体中的激光驱动电子加速

讨论了有关在真空、中性气体和等离子体中激光加速的若干重要问题。对与电子滑移、激光衍射、材料的破坏和电子的孔径效应有关的激光真空加速所肥到的各种限制进行了讨论。提出了反切仑科夫激光加速组态，在该组态中激光束在部分电离气体中是自导的。光学自导是中性气体的非线性自聚集特性和电离衍射效应之间平衡的结果。分析并讨论了自导光束的稳定性。此外，还论及激光尾迹场加速器的有关问题，并大略地讨论了激光驱动的加速器实验     

等离子体加速器继续发展

伦敦帝国学院的Karl Krushelnick小组把高功率激光聚焦到氦喷气束内,将电子加速至300MeV,较以往的能量提高三个数量级。然而他们发现,当激光能量增加时,电子加速的机理改变。要把粒子加速至吉电子伏范围,常规加速器的长度必须几百米或更长。激光产生等离子体可成为下一代台式加速器的基础,因为它     

PASER在混合气体激活介质中的理论计算(英文)

在受激辐射粒子加速(PASER)中,受激介质中处于激发态的电子跃迁到基态时辐射的光子能量直接以量子形式转移给从它旁边经过的电子、首先对单个电子柬团穿过受激介质时产生的电场进行了理论推导,并分别对受激的二氧化碳混合气体和受激氟化氩混合气体进行了计算、计算结果表明加速梯度可以达到1 GV/m,比现有的普通加速器(如盘和波导加速结构)加速梯度高两个数量级。此外,通过二维模型进一步分析了电子微柬团串穿过受激的混合气体介质获得的能量增益。结果表明电子束团串可显著吸收受激介质中的量子态能量,且吸收的能量与相互作用长度成正比、在相互作用长度等于0.5 m时对柬团参数和其它的量对能量交换的影响进行了分析、通过理论计算给出了电子获得最大能量增益时的优化参数、     

太瓦激光产生更快的电子加速

太瓦激光产生更快的电子加速最近在设计高峰值功率激光器和如何利用它们来加速电子的新概念方面所取得的技术进展将使加速器和高能光子源发生革命。打从１９８７年发展啁啾脉冲放大技术以来，高功率激光器的尺寸已经减小［１］。现在，台式激光器已能产生几十大瓦功率范围...     

Compton散射下等离子体初温对质子产生的影响

应用多光子非线性Compton散射模型和二维particle-in-cell(PIC)粒子模拟程序,研究了Compton散射下等离子体初始温度对质子产生的影响,并进行了数值模拟。结果表明:与Compton散射前相比,随着等离子体初始温度的增加,产生的质子数有更显著的增加,靶前和靶后质子能谱曲线趋于平滑,加速质子数量的差别减小。当入射激光强度增强时,随着等离子体初始温度的增加,质子增加的相对幅度有明显减小。当入射激光强度减弱时,随着等离子体初始温度的增加,质子能谱曲线仍有清晰的区别,质子数量和速度都有明显的增加。     

印度的粒子加速器研究概况

粒子加速器是高度精密的装置 ,它的设计和建造接近到了技术发展的极限。当今的加速器加速粒子的能量范围从几千电子伏到太电子伏 ( Te V,1 0 1 2 e V)。低能系统装置很小 ,甚至可放置到台子上 ,高能加速器则非常庞大 ,可延伸到几公里 ,且结构非常复杂。建造大型加速器通常要几百人参加。人们常说 ,一个国家的技术发展水平 ,往往以该国建造的加速器类型与水平为标志。印度的加速器研究开始于 1 940年。在加尔各达核物理基础研究所由 Meghnath Saha教授研制了 37时直径的回旋加速器。 1 95 0年政府批准研制 1 Me V的回旋加速器。1 96 0年在…     

法国物理学家利用激光研制粒子加速器

通常的粒子加速器有几个房间那么大，但法国物理学家最近制造出一种粒子加速器，大小如同一张餐桌。对于加速器物理学来说，美梦成真啦!     

新型激光粒子加速器有望不久问世

美国科学家Tomas Plettner近日宣称，他和斯坦福大学、斯坦福线形加速器中心（SLAC）的同事一起，用一种波长800nm的商用激光调节真空中运行的电子的能量，获得了和每米递减4000万伏的电场一样的调制效果。这一技术有望发展成新型激光粒子加速器，用来将粒子加速到Tev（万亿电子伏）的量级。     

基于随机加速系数的粒子群优化算法

针对粒子群算法中加速系数的取值问题,对C1和C2的各种取值策略做了充分调查分析,得到参数C1和C2对算法性能的影响规律,并提出了一种基于随机加速系数的粒子群优化算法.该算法在迭代的每一代中,加速系数取一定范围内随机产生的一组C1和C2的组合,通过非对称的、范围更大的C1和C2取值来增加算法的多样性,避免了算法早熟.在典型测试函数上进行对比实验,结果验证了新算法在优化性能和稳定性上高于传统粒子群优化算法.     

基于激光引导的静电激波产生单能重离子束

惯性约束聚变的快点火方案、癌症治疗等这些重要的应用均需要单能的离子柬.近来通过激光与等离子体相互作用加速产生高能离子已经成为一个研究热点,因其造价和占用空间都远小于传统加速器.同前已经提出了很多种加速机制,其中靶后鞘层加速较为成熟,实验上已经利用强度为3×1020 w·cm-2的激光产生出最高能量为58 MeV的质子束,也有利用微结构靶产生能散度约为20%的质子束.本文研究的足另一种重要的加速机制,激波加速.     

荷电粒子注源的物理原理和应用

本文叙述了荷电粒子注源的物理原理和几种应用,大多数原理和应用基于利用部分电离的等离子体的传输特性或将其作为靶来利用。这些应用包括加速器源和离子植入技术。     

基于粒子滤波的室内机器人定位加速收敛算法

针对现有粒子滤波算法的缺陷,设计了一种改进的粒子滤波算法。该算法通过改善重采样环节,采用随机移动粒子并向目标区域聚集的方案来解决现有算法的粒子退化问题和粒子多样性丢失问题。在正常行走时,它能够通过粒子加速聚集来实现较快的定位收敛。在面临“机器人劫持”问题时,通过粒子群反向扩散的方式来实现机器人的重定位,表现出了很好的鲁棒性和收敛速度。该算法经过仿真和实验测试,结果与预期相符。