撰文 钱德拉谢卡尔.乔希（ Chandrashekhar Joshi ）
 

　　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。
 

　　高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。
 

　　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ó-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??-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?-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?-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?-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？?-也无法预测。
 

　　在这个关头，新的粒子加速?-理应运而生，这种?-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?-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。
 

桌面型等离子体加速器可望提供用于各种低能场合的电子束

　　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，?-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é-（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......

　　二次加速初试锋芒......

（译/吴安）

本文节选自《环球科学》，更多精彩内容请见第三期