互动科普

用等离子体加速器加速粒子的新技术，将在10年～20年内走向成熟。其中最令人振奋的是，一种结构极为紧凑的GeV级桌面型加速器的问世也指日可待，说不定哪一天，这种袖珍等离子体加速器会走进你的办公室，任由你使用：它将在材料科学、结构生物学、核医学和食物消毒等诸多方面大有用武之地。

物理学家发明粒子加速器的初衷，是希望借此解析神秘的宇宙本性。粒子加速器都是庞然大物，带电粒子被它们加速到接近光速，然后猛然撞在一起，重现在大爆炸的巨响中，宇宙骤然诞生时的环境。通过分析碰撞所产生的碎片，物理学家希望能够了解：存在于各种表面上迥然不同的力和粒子如何相互联系，并通过一种统一理论来描述。遗憾的是，物理学家越接近揭开宇宙诞生之谜的目标，所需的粒子加速器的功率也越大，费用自然水涨船高。

目前，世界上功率最强大的粒子加速器，在法国和瑞士边界的欧洲核子研究中心（CERN）。它正在动工兴建的大型强子对撞机（LHC），直径达8.6千米，计划于2007年建成。LHC能够把两束质子加速到7万亿电子伏的能量，让它们迎头碰撞，来揭示粒子如何获得质量 [参见《科学美国人》 2005年7月号戈登·凯恩所著《质量之谜》一文]。而其他运行中的加速器，有的用于弄清宇宙中的物质为何远远多于反物质，有的则帮助我们窥见名为“夸克—胶子等离子体”的原始物质状态。所有这些加速器都采用微波来加速粒子，而这种技术在使用了数十年后，已是老态龙钟。

过去75年间，在基本粒子的本质以及核物质的行为等方面，这些加速器及其前辈完成了众多引人注目的发现。粒子加速器科学技术日新月异，让加速器的能量以每十年提高大约十倍的惊人速率增加，从而保证了科学家能够源源不断地获得新发现。但这样的进展速度能否持续下去？有迹象表明，这种基于微波技术的加速器，很可能已接近技术和经济可行性的极限。1993年，美国国会否决了超导超级对撞机（Superconducting Super Collider）计划，这台对撞机的直径为28千米，能量为LHC的两倍多，但预算经费也高达80亿美元。现在，许多粒子物理学家希望，在LHC落成之后，能再建造一台直径30千米的直线对撞机（linear collider）。但是这项酝酿中的工程耗资过巨，它是否能避免超级对撞机夭折的命运？谁也无法预测。

在这个关头，新的粒子加速原理应运而生，这种原理使用等离子体——继固体、液体和气体之后的第四种物质状态——来加速粒子。按照这个原理，极有希望制造出一台用于最高能物理研究（1,000亿电子伏及更高）的加速器。更让人兴奋的是，这种基于等离子体的技术，还可以大大缩小加速器的体积，并大幅度降低费用。

用于物理学研究的巨型高能加速器，只是加速器应用的一个方面。除此之外，还有小型加速器应用于各种领域中，例如材料科学、结构生物学、核医学、聚变研究、食品消毒、核废料嬗变以及某些癌症的治疗等。这些小型加速器产生的电子束或质子束能量相对较低——1亿电子伏～10亿电子伏，但体积仍然庞大。而结构极为紧凑的“桌面型”等离子体加速器，可望提供在这一能量范围内的电子束。

微波VS等离子体

在详细阐述这项新技术之前，有必要先回顾一下加速器的基本知识。加速器可分为几大类。首先，要看看它们加速的是较轻的粒子（即电子和正电子），还是较重的粒子（如质子和反质子）；其次，看它们是沿着一条直线一次性地加速粒子，还是让粒子在一个圆环内绕行多次，从而加速粒子。例如，LHC就是一台让两束质子对撞的圆环式加速器。继LHC之后，物理学家打算建造一台加速电子和正电子的直线型对撞机，在运行初期，碰撞点处的能量将达5,000亿电子伏左右。在这样高的能量下，电子和正电子必须沿直线加速，如果让它们绕着圆环加速，就会因为“同步加速器辐射”的效应而丧失大量能量。幸运的是，沿直线加速电子和正电子，就是等离子体加速器最能发挥用武之地的场合。

传统的直线对撞机通过随粒子同步运动的电场来加速粒子。电场是由一个名为“慢波腔”（slow-wave cavity）的装置（即一根以均匀的间隔安放着若干窗孔片的金属管），通过高功率微波辐射产生出来的。使用金属结构可以限制加速电场的大小，当电场强度达到2,000万伏/米~5,000万伏/米时，慢波腔的金属壁间会发生电击穿的现象，即有火花跳过，同时电流从慢波腔的壁上放出。由于电场强度必须低于发生电击穿的阈值，因此，为了达到较高的加速能量，必须延长加速路径。例如，为了产生能量为1万亿电子伏的电子束，加速器的长度就需要达到30千米。如果我们能够设法突破电击穿的限制，并大大加快粒子加速的过程，那么加速器的尺寸就可制造得更加紧凑。这正好是等离子体可以派上用场的地方。

在等离子体加速器中，等离子体这种电离气体扮演了加速结构的角色。电击穿效应在这里非但不会拖后腿，反而是整个设计中不可缺少的要素，因为加速过程的第一步就是要将气体击穿。加速的动力源不再是微波辐射，而是激光束或带电粒子束。

乍看起来，激光束和带电子粒子束似乎不太适合于担当加速粒子的任务。它们的确能产生非常强的电场，但它们所产生的电场，基本上垂直于其传播方向。为了实现加速的效果，加速器中的电场方向必须与粒子的运动方向一致。这样一种电场称为纵向电场。幸运的是，当我们发送出的激光束或带电粒子束穿过等离子体时，它与等离子体的相互作用就可以产生一个纵向电场。

此过程是这样发生的：等离子体含有等量的负电荷（电子）和正电荷（离子），因此就整体来说是正负电荷互相抵消，呈电中性的状态。然而，强激光脉冲或粒子束脉冲在穿过等离子体时会引起扰动。实际上，激光束或带电粒子束将推动较轻的电子前进，使之远离较重的正离子，而正离子则被抛到了后面。这样就形成了一个含有过量正电荷的区域，以及一个含有过量负电荷的区域。因此，经过激光束或粒子束的扰动后，等离子体内就形成了一股以接近光速的速度传播的波。伴随着该波的是一个强电场，它的方向从正电荷区指向负电荷区，任何进入它的作用范围内的带电粒子都将被它加速。

等离子体能够支持强度大得令人瞠目的加速电场。如果一团等离子体的密度为每立方厘米1018个电子（这是一个相当平常的数字），那么它就能产生峰值电场强度达1,000亿伏/米的波；与典型的传统加速器中靠微波为动力所获得的加速梯度相比，这个强度高出了整整1000倍以上。而麻烦在于，等离子体波的波长仅有30微米，而传统加速器中所用的微波波长则通常为10厘米。如何把电子束放置在这样细微的波里，是一个非常棘手的问题。

美国加利福尼亚大学洛杉矶分校已故的约翰·M·道森（John M. Dawson）是该研究领域的先驱，他在1979年率先提出了这个用等离子体来加速粒子的一般方案。十多年后，物理学家通过实验，演示了电子如何在等离子体波上冲浪并获得能量。为了实现这一目标，物理学家必须掌握三种不同的技术：等离子体、加速器和激光，并把它们完美地结合起来。我所在的加利福尼亚大学洛杉矶分校的一个研究小组，在1993年终于成就了这一伟业。从那时起，这一领域的进展异常神速，特别是有两种方法显示出了令人称奇的结果：激光尾场加速法（laser wakefield accelerator）和等离子体尾场加速法（plasma wakefield accelerator）。激光尾场加速法看来很有希望用于低能桌面型加速法，而等离子体尾场加速器则极有可能用于制造下一代对撞机，以产生粒子物理学研究所需的能量。

激光大显身手

随着超小型大功率激光器的问世，如今我们可以制造桌面型等离子体加速器了。现在，一张较大的桌面，就能安置一台大功率的钛-蓝宝石激光器，它所产生的超短光脉冲功率可达10万亿瓦[参见《科学美国人》2002年5月号热拉尔·A·莫罗及唐纳德·乌姆斯塔特尔所著《极端的光》一文]。

在以激光为动力的等离子体加速器中，超短激光脉冲被聚焦到一股只有几毫米长的氦气射流上。激光脉冲立刻夺去气体原子中的电子，使气体变成等离子体。激光的辐射压力非常大，把较轻的电子向四面八方吹散开，只留下较重的离子。但这些电子也跑不了多远，因为离子将又把它们向内拉回来。当电子到达激光脉冲传播的轴线后，将越过轴线，再次向外逸出，如此来回反复，就形成了一种波状振荡。这一振荡称为激光尾场，因为它跟在激光脉冲后面，就像摩托艇激起的尾波跟在船尾一样。

实际上，电子形成了一种气泡状的结构。靠近气泡前面是产生了等离子体的激光脉冲，而气泡其余部分的内部则是等离子体中的离子成分。这种气泡结构非常微小，直径约为10微米。气泡中的电场很像海浪，但要陡峭得多。虽然电子也可能采取其他形式的结构，但采用气泡结构似乎是加速电子最可靠的方法。

如果我们用电子枪之类的装置，把一个外来电子注入到等离子体中电子过剩的地方，那么这个新加入的粒子将受到电场的作用，被拉向气泡内的正电荷一侧。激光尾场的波以光速向前运动，因此被注入的电子也必须接近光速，那样才能赶得上波，并从波中汲取能量。相对论告诉我们，已经接近光速的电子，其能量若再有增加，那就基本上是因为质量的增大，而不是速度的加快，因此电子不会跑到等离子体波前面很远，相反，它将在等离子体波上玩冲浪，不断从波中获得能量。等离子体本身的某些电子也会被波捕获，并通过这种方式加速，就像海浪浪尖上的泡沫一样。

2002年，法国综合理工大学应用光学实验室的维克托·马尔卡（Victor Malka）及其研究小组证明，利用激光驱动的尾场，可以产生含有108个电子的电子束。这种电子束是高度准直的，也就是聚焦性非常好。遗憾的是，被加速的电子的能量分布在非常宽的范围内——从1电子伏到200万亿电子伏（MeV）。在大多数应用场合，都要求电子束中的所有电子具有相同能量。

之所以会出现这种能量分布展宽的现象，是因为电子在不同地点和不同时间被尾场波捕获。在传统加速器中，需要加速的粒子被注入到电场最强处附近的一个位置上。研究人员曾认为，由于激光尾场加速器中的加速结构非常细微，并且存在时间极短，因此不可能实现这样精确的注入。

好运气帮助研究人员摆脱了这种困境。2004年，美国、法国和英国三个暗中互相较劲的研究小组同时发现了一种新的物理机制，它使自捕获的电子作为一个整体同步冲浪，这样，所有的电子就可以达到相同的能量。这三个小组均采用了功率更大的激光器——10万亿瓦及以上。在穿越等离子体传播时，这样强大功率的激光脉冲将会变短变窄，产生一个从等离子体中捕获电子的巨大电子气泡。这些自捕获的电子数量极多，将从尾波中汲取大量能量，从而使电子气泡无法再捕获电子。那些能量最高的电子将开始超过尾波。这样，当落在后面的低能电子仍在汲取能量时，跑在前面的高能电子已开始丧失其能量了。

此过程最终将得出一个能量分布范围收窄的电子束。例如，在马尔卡的实验中，对于每个电子束中多达109个的电子，能量离散度从100%降到仅为10%。与早先的实验相比，电子束的角分布范围也显著变窄了，与传统的微波直线加速器所产生的最佳电子束也大致在同一档次上。这样得到的电子束（实际上是电子脉冲）的长度，只有10飞秒（10-14秒），是加速器迄今产生出来的最短脉冲。这种超短脉冲可以分辨超快的化学和生物学过程，作为极有发展潜力的新一代辐射源而大受青睐。研究人员还可以把这种电子脉冲打到薄金属靶上，使之发出同样短的X射线脉冲。桌面型加速器产生的X射线，可能很快就会获得实际应用。我预计，今后一两年内，就可以看到研究人员演示它的种种用途。

如何进一步增大电子束的能量，以制造出10亿电子伏级（GeV）的激光尾场加速器呢？为了实现这一目标，就需要生成可持续约1厘米长的距离（而不仅仅是几毫米）的等离子体波。因此，必须把激发等离子体波的激光束约束在所谓“等离子体光纤”中，以便让它有更长时间在等离子体内保持高强度状态。一种特别有前途的方法，就是使用预先形成的等离子体光纤，目前，美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人员正在沿着这一方向探索。此方法的原理，就是让沿等离子体轴线的电子保持低密度，从而使等离子体通道轴线上的折射率大于其边缘处的折射率，这正好就是等离子体通道充当光纤引导激光行进所必需的条件。伯克利国家实验室所进行的实验已经证明，这类等离子体通道可以生成单能电子束。对这种方法再作一些改进，制造出第一台10亿电子伏级的桌面型等离子体加速器就指日可待了。

二次加速初试锋芒

如何进一步提升这些厘米尺度的激光驱动等离子体加速器，使之产生出粒子物理学家所希望的万亿电子伏级（TeV）能量呢？一种方法是把数百个袖珍型激光-等离子体加速单元一个接一个串连起来，每一单元使粒子束的能量净增几个GeV，这样经过数百个单元的接力加速后，最终能量就可以达到TeV的水平了。这一方案称为“多级加速”（Staging），微波加速器正是按照这一组合来产生高能量的。不过，等离子体加速器要运用多级加速的方法，所遇到的问题要复杂得多。

现在研究人员看好的是另外一种方法，即所谓等离子体二次加速法（plasma afterburner）。这种方法就是使用单级等离子体尾场加速器，从而使一台传统加速器的输出能量翻一番。首先，传统的加速器将两个电子脉冲（或正电子脉冲）的能量提升到数百个GeV。其中第一个脉冲（称为驱动脉冲，driver pulse）所含有的粒子数为第二个脉冲（称为尾随脉冲，trailing pulse）的3倍。驱动脉冲和尾随脉冲的长度，通常都只有100飞秒，它们的间隔也为100飞秒左右。驱动脉冲被聚焦到等离子体中时，将产生一个尾场气泡（假定电子束密度大于等离子体密度），这同激光尾场加速器中的情况相仿。除了粒子束的电场代替激光束的辐射压力起推动作用之外，这一加速过程同激光尾场的加速过程可谓如出一辙。电子气泡把尾随脉冲密封在其中，从而使该脉冲被因此发生的电场的纵向分量迅速地加速。

等离子体尾场加速器，令研究新一代加速方法的物理学家大为振奋。三项至关重要的技术进展使这一加速方案深受追捧。这些进展是一个攻关小组利用斯坦福直线对撞机（Stanford Linear Collider）所产生的粒束而取得的，而该小组由加利福尼亚大学洛杉矶分校、南加利福尼亚大学和斯坦福直线加速器中心（SLAC）等三个单位的科学家联合组成。

首先，这些科学家解决了激光驱动的等离子体加速器只有几毫米长的问题。他们制造出了长度达到米级的等离子体加速器，既可以加速电子，也可以加速正电子。要使驱动粒束在这样长的一段距离上保持稳定，需要非同小可的功夫。其次，他们证明了一点：让电子在经过仅仅10厘米后，其能量就可以增加4GeV以上。用这种方法提升电子能量，仅仅受到实际因素的限制，而不存在任何科学理论上的障碍，这就意味着只须加长等离子体，就可以使电子能量持续增大。

最后，科学家还证明了：等离子体可以使已经聚焦的电子束或正电子束的锐度至少再提高两倍。这一成就对于对撞机具有重要意义，因为对撞机中的粒子加速后，必须聚焦成一个极小的斑点。电子束的聚焦越紧密，对撞机中发生的碰撞也就越多。对于一台对撞机来说，碰撞发生的速度这个参数之重要性，毫不亚于总能量。

这些突破性进展促使人们猜想：是否要把此种加速方案推广到能量前沿上。不过，我们先得以现有的加速器作为第一级，以检验这种方法。例如，我们可以在斯坦福直线对撞机两个输出端，各安装一台等离子体尾场加速装置，这样就可以把它输出的能量翻一番，从现有的50GeV提升到100GeV。每台等离子体二次加速器的长度均为10米左右。这项工程目前还没有获得资助，不过SLAC已向美国能源部提出申请，拟建造一条名为SABER的高能粒束加速管线，用来推进这方面的研究工作。

前面，我仅仅从电子加速的角度来介绍这些等离子体加速器。如果要加速带正电的粒子（如正电子），电场的方向就必须反转过来。而实现这一目标最简单的方法，莫过于使用正电子驱动速度。正电子束所带的正电荷将等离子体中的电子向内拉；同前面所述的过程相仿，这些电子将越过中心轴线，形成一个电子气泡。与我前面介绍的电子束的情况相比，此时的电场方向就反转了过来，这正好就是加速正电子尾随束所要求的。

此外，这些等离子体加速器还可以加速质子之类的重粒子。唯一的要求是：这些粒子在注入加速器时，它们必须已经达到接近光速的速度，以免被等离子体波甩在后面。对于质子来说，这就意味着注入能量必须达到若干GeV的水平。

物理学家研究等离子体加速器的工作进展神速。虽然许多基本的物理学问题已经解决，但要制造实用的等离子体加速器，仍然面临着一些令人望而生畏的挑战。其中特别艰巨的任务就是，粒子束工程师必须大大提高粒子束的质量、效率（即驱动束的能量有多少最终转移到被加速的粒子中）以及对中精度（粒子束在碰撞点的对中精度必须在几纳米以内），使之达到必要的水准。最后，加速器的重复频率（即每秒钟可以加速多少脉冲）也很重要。

整整花了75年，科学家们才使传统加速器的正负电子碰撞能量达到200GeV的水平，而现在，等离子体加速器进展的步伐要快得多。研究人员希望，在高能物理领域，超越微波加速装置的下一代新技术，将在10~20年内走向成熟。而相关的激光尾场技术，也不日将催生出用途广泛的GeV级桌面型加速器。

波浪滚滚，想冲就冲吧！

环球科学小词典

“夸克—胶子等离子体”是一种全新的物质形态。

现有物理学理论认为，宇宙诞生后的百万分之几秒内，宇宙中曾经广泛存在过一种被称为“夸克—胶子等离子体”的物质。在“夸克—胶子等离子体”中，夸克和胶子（一种理论上假设的无质量粒子）等基本粒子以自由状态存在。它们随宇宙的冷却结合形成质子和中子等亚原子粒子，后者又形成原子核，最终产生原子以及今天的宇宙万物。

2005年4月18日，美国布鲁克海文国家实验室的科学家宣布，他们利用相对论重离子对撞机（RHIC）成功地制造出了“夸克—胶子等离子体”。研究人员认为，“夸克—胶子等离子体”呈液体状态，为研究宇宙在诞生后的最初形态提供了新的见解，宇宙在诞生后的百万分之几秒内可能就是一种“完美的液态”。此外，新发现还可能对物理学中的“弦论”产生影响。国际科学界普遍认为，该成果是物理学界一次具有历史意义的重大进展。

概述/在等离子体上冲浪

◆数十年来，粒子对撞机一直都使用微波腔来把粒子束加速到接近光速。直径8.6千米的大型强子对撞机，即是这种加速技术的范例，但是此方法在技术和经济方面的潜力已经几近枯竭，很难再有重大突破。

◆一种新的加速方法，就是在名为等离子体的电离气体内产生一股波，然后让电子或正电子通过在波上“冲浪”来获取能量。这种方法可望大大缩小高能加速器的体积，并降低其成本（粒子物理学家使用此类加速器来研究宇宙中质量的起源等深奥问题）。目前，此方法已在一些小规模的实验中获得了验证。

◆等离子体加速法也为建造桌面型加速器开辟了道路，这类加速器可广泛用于多种低能场合，包括材料科学、结构生物学、核医学和食物消毒等等。

本文作者

钱德拉谢卡尔·乔希现为美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的电气工程学教授、该校高频电子学研究中心及“海王”高级加速器研究所主任。乔希是高级加速技术的开创者之一，在多个领域中卓有建树，包括等离子体的非线性光学性质、强激光-物质相互作用以及等离子体科学在聚变、加速器和光源等方面的应用。他爱好旅游和途步旅行。