粒子物理学领域获得的一项重要成果值得引起注意，它意味着粒子加速器将变得更廉价，更小巧。日本以及英国、美国和法国的研究小组利用超短和超强激光来在等离子体中生成极端电场，先后获得了高质量电子束。这些相对论电子束将有很多用途，包括建造紧凑型桌面式的粒子加速器。

日本国立产业技术综合研究所（Advanced Industrial Science and Technology，简称AIST）2004年8月4日发布消息：AIST的能源技术研究所与国立放射性科学研究所带电粒子治疗研究中心合作，在世界上首次成功地在激光等离子加速器上产生了高能量的单能电子束和超短脉冲。

高能量的单能电子束和超短脉冲，被认为是进行医学治疗包括癌症的诊断和治疗，和了解对与化学反应有关超快现象进行控制的不可或缺的工具。到现在为止，利用基于高压或微波在高精确度医疗，或在快化学反应中进行实验的常规加速器已经产生了单能电子束。但是，常规加速器需要一台像机场那样大小带高压和具有巨大功率的巨型装置，难以在医疗和工业现场实现全面的应用。

激光等离子加速器所采用的原理与常规加速器迥然不同，需要将高能加速器彻底减小体积。在激光等离子体加速器中，电子束被等离子波的高电场加速，因对由电击穿产生的加速梯度缺乏限制，能够形成加速梯度，即每个单位长度的加速能量，为常规加速器的100 – 1000倍。这就能够将加速器的长度缩短1/100到1/1000，许多国家都在从事研究与开发的工作。但是，以前在激光等离子体加速器方面的工作没有能够产生仅具有特殊能量的单能电子束。对医学和工业应用来说，需要给加速器提供一些附加的设备，像选择需要的能量和阻止不必要的能量的过滤器，以限制电子束的能谱，如果束流由各种能量组成，为了切断伴随的高能辐射，对设备加以屏蔽。这难以为激光等离子体加速器的应用减小系统的体积。  

他们将2太瓦（1太瓦=10¹² 瓦）的激光脉冲辐照电子密度高达10²⁰cm^-3（相当室温时10个大气压空气的密度），比以前的实验高一个数量级的等离子体50飞秒（1飞秒=10^-15秒），从0.5毫米长的等离子体产生7MEV能量的单能电子束。表明电子被等离子体加速的证据已经从诊断激光等离子体相互作用中获得。到现在为止一直被认为难以利用激光等离子体加速器产生单能电子束时，本研究获得的成功向激光等离子体加速器的实际应用迈出了一大步。 

背景

当加速器不仅用于基础科学研究而且用于医学和工业应用时，它们难于被人人和处处所用，原因是费用高昂和需要有大型装置。如果加速器在创新概念的基础上运行，那么就可能建造体积大大缩小了的高能加速器。

其中一个创新是激光等离子体加速器。在这种加速器中，常规系统中的金属电极被电离气体等离子体取代，更高频率饿激光激励波取代微波，被用来去掉电击穿引起的限制。这就使得激光等离子体加速器形成相当于常规设备100-1000倍的加速器梯度。为了产生等同加速能量的电子束，用这一方法可将加速器的长度减小1/100–1/1000。

驱动器激光器的体积也已经减小，目前，在几平方米的区域内，就可安置一台10太瓦的激光器。随着加速器的小型化，其研制周期已经缩短。期望造价大大降低，使用需求会迅速扩大。

据报导，激光等离子体加速器的最近实验获得的最高加速能量已达600 MeV，但输出的电子束流为“白光”，包括从低端到更高限度能量的各个光谱。在实际应用中，常常需要通过选择必要能量的束流和去掉不许要的束流来提供单能电子束。这样不仅浪费，而且还放射出危险的高能次级辐射。

研发历史

1993年以来，日本前电工技术研究所，现产业技术综合研究所（AIST）的能源技术研究所一直在从事超高流强脉冲与等离子体相互作难功用方面的基础研究，旨在研制超小型化加速器。该项工作是根据文部省的核能研究计划和合作项目进行的。核能研究计划的题目是《基于超高流强激光器的高能粒子和辐射源的研究》，合作的项目是《先进紧凑型加速器研制计划》，涉及现产业技术综合研究所（AIST）的能源技术研究所、国立放射学研究所、东京大学、高能加速器研究组织和日本原子能研究所。

研发详细情况

激光等离子体加速器的工作原理是：激光脉冲射入到超声气体喷嘴后，激光脉冲通过，同时将气体变为等离子体，并产生高速传播的电子压缩波（等离子体波）。等离子体波俘获的负电子被推向前和加速，作为电子束放射出来（见图1）。

图1-激光等离子体加速器简图和加速原理

然而，不可避免的是，很难用激光等离子体加速器获得单能电子束，原因是加速能量取决于“冲浪”时间的选择，或单个电子在等离子体波斜坡的位置而改变和输出的束流由若干能谱的叠加构成。

在现在进行的研究中，单能束流的成功产生是因为2 太瓦的激光脉冲辐照电子密度比以前工作中用的高出一个数量级的（即10²⁰ 电子/ 厘米³ ，相当于室温时大约10个以下大气压的空气密度）等离子体50飞秒。单能电子束从长约0.5毫米的等离子体获得。还发现单能电子束具有7 MeV 的能量（图2），只有当等离子体的信号被认出后才有这样的能量。

图2-用激光等离子体加速器在加速实验中得到的电子束能谱

图3-等离子体的前向散射光光谱。约为1040毫微米的峰代表通过