激光核物理探究論文

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摘要在最近十年,激光技術有了長足的進展,激光的強度超過了1022W/cm2,激光的電場達到~4×1012V/cm.當這種高強度的激光照射在靶上時,可以產生許多由激光產生的核反應現象.在這篇文章中,作者回顧了這一領域的研究進展,并對在不遠的未來激光產生電子､質子､中子､X射線和正電子發展的潛力進行了一些討論.

關鍵詞啁啾脈沖放大,粒子云,正電子發射層析術,庫侖爆炸

1什么是激光核物理

最近十年中,激光技術有了顯著的進展,激光強度已超過1022W/cm2,激光的電場強度達到3.8×1012V/cm,比氫原子中電子玻爾軌道上的庫侖場大759倍,相當于在原子大小上相應加上約40kV的電壓,在原子核大小上相應加上約0.38V的電壓,在這種很強的電場作用下,所有的原子都會在極短的時間內被電離,產生從幾個MeV到幾百MeV的質子,幾十MeV到GeV的電子和其他粒子,以及韌致輻射和中子,這些粒子可以產生核反應,打開了核物理以及非線性相對論光學研究的新領域[1—3].

在今后的十年中,激光強度可能會提高到1026—1028W/cm2,這樣高強度的激光可以將粒子加速到1012—1015eV,并將成為研究粒子物理､引力物理､非線性場論､超高壓物理､天體物理和宇宙線研究中的一個有力工具[1].

超高功率超短脈沖激光技術的發展,在實驗室中創造了前所未有的極端物態條件,如高電場､強磁場､高能量密度､高光壓和高的電子抖動能量､高的電子加速度,這種極端的物理條件,目前只有在核爆中心､恒星內部､星洞邊緣才能存在,在它和物質的相互作用中,產生了高度的非線性和相對論效應,產生了嶄新的物理學領域,也為多個交叉學科前沿研究領域帶來了歷史性的機遇和拓展的空間.

2國內外研究現狀

當前國際上已經在一些實驗室中建立了幾十TW到幾個PW的激光系統,在上世紀80年代中期,以前激光的強度長期停留在1014W/cm2左右,這是由于非線性吸收效應隨著激光強度的增加而迅速增強,在80年代中期之后,由于采用了啁啾脈沖放大技術(chirpedpulseamplification,CPA),激光強度提高了6—7個數量級,在CPA技術中,一個飛秒或皮秒的脈沖通過色散的光柵對在時間尺度將它展寬了3—4個數量級,這樣就避免了放大器的飽和以及在很高強度時由于非線性效應產生的光學放大器件的損傷,在經過放大以后,再由另一光柵對將脈沖寬度壓縮回到飛秒或皮秒寬度,以獲得1019W/cm2到1022W/cm2的靶上功率密度.CPA超短脈沖TW的激光裝置在法國光學應用研究所､瑞典Lund大學､德國Mark-Plank研究所､德國Jena大學､日本JAERI和中國工程物理研究院､中科院上海光學精密機械研究所､中科院物理研究所､中國原子能科學研究院等都建有.日本原子能研究所采用變形鏡和CPA相結合的技術,運用低f值的拋物面鏡,將激光聚焦于1μm的斑點,可以進一步提高焦斑上的功率密度,但是由于放大介質的單位面積上的飽和能量通量和光學元件的損傷閾值的限制,單位面積上最大的光強度Ith=hν3σΔνac2,這個數值約為1023W/cm2.美國LLNL正在計劃建造1018W(exawatt)和1021W(zettawatt)的激光裝置,以期獲得1026W/cm2—1028W/cm2的靶上功率密度.

高強度的激光可以引起許多核反應,當激光強度I>1018W/cm2時,在激光電場做抖動的電子能量達到0.511MeV,產生了相對論等離子體.運用強激光在等離子體中產生的尾場去加速電子,如用一臺緊湊型的重復頻率的激光器可以產生200MeV的電子.這種激光等離子體型的加速器具有比通常電子加速器高出1000倍的加速梯度,即達到GV/m.運用高強度､單次脈沖的激光也獲得了100MeV的電子,并測量到它的韌致輻射.超短超強激光還可以產生質子束,并開始運用這些質子束產生正電子發射層析術(positronemissiontomography,PET)所需要的短壽命的正電子放射源,一種用激光來產生的小型化的和經濟的質子產生器有望在未來用于質子治癌.運用超短超強激光直接產生正電子已在英國盧瑟福實驗室開展,他們用重復頻率的TW級的激光,打在高Z元素的靶上得到每脈沖2×107個正電子,它對于基礎研究和材料科學很有用途.通過超短超強激光和氘團簇的相互作用,產生聚變反應的中子,其中子產額可以達到105中子/焦耳,激光產生中子的能量效率已達到世界上大型的激光裝置的水平,它可以成為臺面的中子源,由于其中子脈沖通量高,但總的中子劑量很小,適合于生物活體的中子照相和材料科學的研究.運用超短超強激光和氘化聚乙烯作用產生中子,Hilsher等人用鈦寶石激光(300mJ,50fs,10Hz,1018W/cm2)轟擊氘化聚乙烯靶,產生104中子/脈沖.運用超短超強的激光在相對論性的電子上的散射,產生幾百飛秒､幾十埃的硬X射線,可以用來研究材料和生命科學的一些問題,這種超快的硬X射線源對于研究一些高Z物質和時間分辨的超快現象具有重要的意義.超短超強激光所產生的高能電子,在物質中產生高能X射線,可以在裂變物質鈾中引起裂變,并在裂變靶中探測到許多裂變產物.在激光的強度達到1028W/cm2時,電場強度只比Schwinger場(真空擊穿場強)低一個數量級,在這樣的場中,由于真空的漲落被激發,激光就有可能從真空中產生正負電子對,美國LawrenceBerkerly實驗室在SLAC高能加速器上,用1018W/cm2的激光束和聚焦性能很好的46.6GeV的電子束相碰撞,產生了200多個正負電子對,這是由于在反向相碰的電子和激光中,從電子的坐標系來看,激光的場強增強了Lorentz因子倍,以至于可以遠遠地超過Schwinger場值,直接從真空中產生一些電子對.

3新的科學研究的內容,新的交叉點

3.1激光產生高能電子[4—7]

產生高能電子的機制有兩種:第一種是在激光場作用下,電子做抖動運動,在激光強度I=1020W/cm2時,電子抖動運動能量能達到10MeV;第二種是由非線性效應所產生的能量比較高的部分.用300J,0.5ps的激光照射在厚的金靶上,測量到的電子能譜分布基本上由兩個部分組成:一部分是由有質動力產生的,它的能量在20—30MeV以下,還有一部分就是由非線性效應產生的幾十MeV以至100MeV以上的高能量的電子,并和粒子云(particleincell,PIC)的計算結果符合,目前加速電子最高能量已達1GeV.能散度可達3%.

當激光的強度增加時,光波的壓力變得很大,光壓推著電子往前走,光波就像一個光子耙將等離子體中的電子推到脈沖的前面積累,形成電子的“雪耙”(snowplow),在這種“雪耙”加速中,電子的動能得到增益.在綜合了光壓作用和激光場的作用后,計算得到在激光強度為I=1026W/cm2時,加速梯度可達200TeV/cm,如果加速長度達到1m,電子能量為2×1016eV,在I=1028W/cm2時,加速梯度可達2peV/cm,加速長度為1m時,電子能量為2×1017eV,可以用來研究高能物理中的許多問題.

3.2激光產生質子束[8,9]

在激光等離子體中,在I=1020W/cm2的情況下,加速質子的能量可以高達58MeV.加速梯度約為1MV/μm.質子被加速的距離只有60μm左右,如何增長加速距離成為非常重要的研究內容,加速質子的機制是相當復雜的,也提出了一些加速模型的設想.實驗上的研究結果已顯示它存在很好的應用前景.這表現在:

(1)激光能量轉換成質子束能量的效率是高的,而且和激光的能量有關,在激光脈沖能量為10J､寬度為100fs時,轉換效率為1%,當500J､500fs時,轉換效率為10%,人們已經獲得了1013質子/脈沖,質子脈沖寬度約1ps,相當于1025質子/秒,即1.6×106A的脈沖質子流.

從理論到實驗應該研究如何進一步提高能量轉換效率的問題,尤其是當激光能量進一步提高時,轉換效率是否還繼續上升.

(2)質子束的發散角比較小,觀察到的橫向發散角為0.5mm·mrad,比通常加速器上加速的質子束的發散角小.

(3)高能質子束的獲得可能會在今后的十年中實現,按照Bulanov等人的計算結果,在I=1023W/cm2時,質子可以被加速到1GeV以上,在I=1026W/cm2和1028W/cm2時,質子能量可以達到100GeV和10TeV.

(4)目前已獲得幾十MeV的質子束,并已用于為PET產生18F等短壽命的正電子源,在英國Rutherford實驗室的Vulcan裝置上,在20分鐘內制備了109Bq的18F源,已經可以用在PET上.

(5)產生200MeV的質子,并用于質子治癌,由于它在能量沉積上的優越性能,以及整個裝置可以做得小,成本低,所以在治癌應用上很有發展前景,并可應用于中子照相.目前由激光加速產生的質子的能量分散度為17%.治癌應用要求能散度≤3%左右,因此減少能散度的工作在一些實驗室正在進行中.

3.3激光產生中子[10,11]

超短超強激光加熱氘團簇產生核聚變,已經產生了104中子/脈沖或105中子/焦耳,從激光的能量轉換成中子的效率看,和美國LLNL上的大型激光器NOVA上的每焦耳激光的中子產額相當,比日本大阪大學的大型激光裝置Gekko12上的數值大一個數量級,因此是一種很有發展前景的桌面臺式的中子發生器,因為這種中子源的時間寬度只有1ps,是一個高中子通量的中子源,可用于材料科學和中子照相.

氘的團簇在吸收激光能量后要發生庫侖爆炸,應該說到現在為止對于庫侖爆炸的機理理解尚不非常清楚,尤其是團簇爆炸后產生的氘分子和氘的小團簇如何產生氘-氘的聚變反應也缺乏細致的了解,在進一步的改進方面,還有發展的余地,例如,如何采用多束的超短超強激光同時照射團簇,或用大于50T的脈沖磁場去推遲熱等離子體的解體時間,以增加中子產額.

利用超短超強激光和氘化聚乙烯作用來產生中子,Hilsher等人用鈦寶石激光(300mJ,50fs,10Hz,1018W/cm2)轟擊氘化聚乙烯靶也產生了104中子/脈沖,大約每焦耳的激光產生3.3×104中子.Disdier等人用20J,400fs,5×1014W的激光輻照CD2靶,獲得107中子,每焦耳激光產生了3.5×105中子,這是很高的中子產額,他們還要用500J,500fs,1pW的激光照射CD2,以獲得更多的中子.

在激光輻照CD2平面靶時,除了要研究激光能量在CD2靶上的能量沉積的分布外,如何充分地利用沉積的能量是一個很重要的問題.沉積的能量有很大一部分要轉變成等離子體的動能,在平面靶的情況下,如何設計靶面形狀,以最大限度地使等離子體的動能對D-D反應做貢獻.

3.4激光產生硬的超短(~100fs)X射線[12]

用超短超強激光(50mJ,0.5TW,100fs)和50MeV的電子束散射可以產生4nm,300fs的硬X射線,雖然轉換效率不高,但產生的X射線強度可以在Si表面產生衍射峰,可以用來研究Si表面相變過程(從固相→熔化過程)的時間分辨的研究,也可以研究蛋白質折疊動力學,蛋白質的折疊時間為1ns,用300fs的硬X射線可用來了解它的折疊過程中的狀態.

3.5激光產生正電子[13,14]

將具有幾個MeV的電子,經過很好地準直后,射到一個高Z的靶上,通過Trident過程(Z+e-→Z′+2e-+e+)和Bethe-Heitler過程(Z+r→Z′+e-+e++r′)產生正電子,采用重復頻率的超短超強激光和高Z靶的相互作用,每脈沖可以產生2×107個正電子,經過慢化后,儲存在磁場中,它對于基礎科學和材料科學的研究是很有用的.

4主要存在的問題和分析

這門新興的交叉學科在國際上也只有十多年的歷史,但發展十分迅速,搞激光技術和原子核物理的科學家們已經開始在一起召開學術研討會,共同參加一些實驗,由于它是一個新的生長點,發展比較快,也比較容易發現一些新現象,所以合作的積極性也在日益增長.隨著超短超強激光技術的發展,在粒子加速､核物理､甚至粒子物理方面可以做出一些很好的工作來.我國發展的情況有些滯后,學科之間的交叉和合作還沒有真正形成,學科之間的了解和交流還不夠,因此只在交叉學科的邊緣上做了一些工作,按照我國在激光技術和核物理方面的力量來說,都應該有可能做出更多更好的工作.目前具有超短超強激光裝置的研究單位并不少,但將它們運行好,做出好的物理工作的成果并不多.

國內的情況也和國際上相似存在著一個問題,即搞強激光技術的專家和搞核物理和粒子物理專家之間的交流､討論不夠,這就會影響這一交叉學科的發展.

從強場物理到超短超強激光技術,到應用于各個領域,在世界上是基礎科學和技術進步相互推動,相互作用的一個范例,基礎研究的需求,以及光學科學的基礎,非線性科學的基礎,促進了超短超強激光技術的發展,而高強度激光的發展又為物理學的發展提供一個嶄新的世界.

參考文獻

[1]TajimaT,MourouG.PhysicalReviewSpecialTopics\|AcceleratorsandBeams,2002,5:037301

[2]MourouG,TajimaT,BulanovSV.ReviewsofModernPhysics,2006,78:309

[3]LeemansWPetal.NaturePhysics,2006,2:696

[4]ThomasKatsouleas.Nature,2004,431:515

[5]ManglesSPDetal.Nature,2004,431:535

[6]GeddesCGRetal.Nature,2004,431:538

[7]FarueJetal.Nature,2004,431:541

[8]WilksSCetal.PhysicsofPlasma,2001,8:542

[9]SchwoererHetal.Nature,2006,439:445

[10]PerkinsLJetal.NuclearFusion,2000,40:1

[11]ZweibackJetal.Phys.Rev.Lett.,2000,85:3640

[12]KmetecJDetal.Phys.Rev.Lett.,1992,68:1527

[13]GahnCetal.Appl.Phys.Lett.,2000,77:2662

[14]GahnCetal.Phys.Rev.Lett.,1999,83:4772