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淺談激光核物理
摘 要 在最近十年，激光技術(shù)有了長足的進(jìn)展，激光的強(qiáng)度超過了1022W/cm2， 激光的電場達(dá)到~4×1012V/cm。當(dāng)這種高強(qiáng)度的激光照射在靶上時(shí)，可以產(chǎn)生許多由激光產(chǎn)生的核反應(yīng)現(xiàn)象。在這篇文章中，作者回顧了這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并對在不遠(yuǎn)的未來激光產(chǎn)生電子？質(zhì)子？中子？X射線和正電子發(fā)展的潛力進(jìn)行了一些討論。
關(guān)鍵詞 啁啾脈沖放大，粒子云，正電子發(fā)射層析術(shù)，庫侖爆炸
1 什么是激光核物理
最近十年中，激光技術(shù)有了顯著的進(jìn)展，激光強(qiáng)度已超過1022W/cm2，激光的電場強(qiáng)度達(dá)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(dāng)于在原子大小上相應(yīng)加上約40kV的電壓，在原子核大小上相應(yīng)加上約0。38V的電壓，在這種很強(qiáng)的電場作用下，所有的原子都會在極短的時(shí)間內(nèi)被電離，產(chǎn)生從幾個(gè)MeV到幾百M(fèi)eV的質(zhì)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(chǎn)生核反應(yīng)，打開了核物理以及非線性相對論光學(xué)研究的新領(lǐng)域[1—3]。
在今后的十年中，激光強(qiáng)度可能會提高到1026—1028W/cm2，這樣高強(qiáng)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(gè)有力工具[1]。
超高功率超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造了前所未有的極端物態(tài)條件，如高電場？強(qiáng)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?xiàng)l件，目前只有在核爆中心？恒星內(nèi)部？星洞邊緣才能存在，在它和物質(zhì)的相互作用中，產(chǎn)生了高度的非線性和相對論效應(yīng)，產(chǎn)生了嶄新的物理學(xué)領(lǐng)域，也為多個(gè)交叉學(xué)科前沿研究領(lǐng)域帶來了歷史性的機(jī)遇和拓展的空間。
2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
當(dāng)前國際上已經(jīng)在一些實(shí)驗(yàn)室中建立了幾十TW到幾個(gè)PW的激光系統(tǒng)，在上世紀(jì)80年代中期，以前激光的強(qiáng)度長期停留在1014W/cm2左右，這是由于非線性吸收效應(yīng)隨著激光強(qiáng)度的增加而迅速增強(qiáng)，在80年代中期之后，由于采用了啁啾脈沖放大技術(shù)（chirped pulse amplification， CPA），激光強(qiáng)度提高了6—7個(gè)數(shù)量級，在CPA技術(shù)中，一個(gè)飛秒或皮秒的脈沖通過色散的光柵對在時(shí)間尺度將它展寬了3—4個(gè)數(shù)量級，這樣就避免了放大器的飽和以及在很高強(qiáng)度時(shí)由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生的光學(xué)放大器件的損傷，在經(jīng)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(xué)應(yīng)用研究所？瑞典Lund大學(xué)？德國Mark—Plank研究所？德國Jena大學(xué)？日本JAERI和中國工程物理研究院？中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所？中科院物理研究所？中國原子能科學(xué)研究院等都建有。日本原子能研究所采用變形鏡和CPA相結(jié)合的技術(shù)，運(yùn)用低f值的拋物面鏡，將激光聚焦于1μm的斑點(diǎn)，可以進(jìn)一步提高焦斑上的功率密度，但是由于放大介質(zhì)的單位面積上的飽和能量通量和光學(xué)元件的損傷閾值的限制，單位面積上最大的光強(qiáng)度？I？？th？=hν3σΔν？ac2？，這個(gè)數(shù)值約為10？23？W/cm2。美國LLNL正在計(jì)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(qiáng)度的激光可以引起許多核反應(yīng)，當(dāng)激光強(qiáng)度I10？18？W/cm2時(shí)，在激光電場做抖動的電子能量達(dá)到0。511MeV，產(chǎn)生了相對論等離子體。運(yùn)用強(qiáng)激光在等離子體中產(chǎn)生的尾場去加速電子，如用一臺緊湊型的重復(fù)頻率的激光器可以產(chǎn)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(dá)到GV/m。運(yùn)用高強(qiáng)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(qiáng)激光還可以產(chǎn)生質(zhì)子束，并開始運(yùn)用這些質(zhì)子束產(chǎn)生正電子發(fā)射層析術(shù)（positron emission tomography，PET）所需要的短壽命的正電子放射源，一種用激光來產(chǎn)生的小型化的和經(jīng)濟(jì)的質(zhì)子產(chǎn)生器有望在未來用于質(zhì)子治癌。運(yùn)用超短超強(qiáng)激光直接產(chǎn)生正電子已在英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室開展，他們用重復(fù)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(gè)正電子，它對于基礎(chǔ)研究和材料科學(xué)很有用途。通過超短超強(qiáng)激光和氘團(tuán)簇的相互作用，產(chǎn)生聚變反應(yīng)的中子，其中子產(chǎn)額可以達(dá)到105中子/焦耳，激光產(chǎn)生中子的能量效率已達(dá)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(xué)的研究。運(yùn)用超短超強(qiáng)激光和氘化聚乙烯作用產(chǎn)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(chǎn)生104中子/脈沖。運(yùn)用超短超強(qiáng)的激光在相對論性的電子上的散射，產(chǎn)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(xué)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(zhì)和時(shí)間分辨的超快現(xiàn)象具有重要的意義。超短超強(qiáng)激光所產(chǎn)生的高能電子，在物質(zhì)中產(chǎn)生高能X射線，可以在裂變物質(zhì)鈾中引起裂變，并在裂變靶中探測到許多裂變產(chǎn)物。在激光的強(qiáng)度達(dá)到1028W/cm2時(shí)，電場強(qiáng)度只比Schwinger場（真空擊穿場強(qiáng)）低一個(gè)數(shù)量級，在這樣的場中，由于真空的漲落被激發(fā)，激光就有可能從真空中產(chǎn)生正負(fù)電子對，美國Lawrence Berkerly實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生了200多個(gè)正負(fù)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(biāo)系來看，激光的場強(qiáng)增強(qiáng)了Lorentz因子倍，以至于可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過Schwinger場值，直接從真空中產(chǎn)生一些電子對。
3 新的科學(xué)研究的內(nèi)容，新的交叉點(diǎn)
3。1 激光產(chǎn)生高能電子[4—7]
產(chǎn)生高能電子的機(jī)制有兩種：第一種是在激光場作用下，電子做抖動運(yùn)動，在激光強(qiáng)度I=10？20？W/cm2時(shí)，電子抖動運(yùn)動能量能達(dá)到10MeV;第二種是由非線性效應(yīng)所產(chǎn)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(gè)部分組成：一部分是由有質(zhì)動力產(chǎn)生的，它的能量在20—30MeV以下，還有一部分就是由非線性效應(yīng)產(chǎn)生的幾十MeV以至100MeV以上的高能量的電子，并和粒子云（particle in cell，PIC） 的計(jì)算結(jié)果符合，目前加速電子最高能量已達(dá)1GeV。能散度可達(dá)3% 。
當(dāng)激光的強(qiáng)度增加時(shí)，光波的壓力變得很大，光壓推著電子往前走，光波就像一個(gè)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”（snow plow） ，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(jì)算得到在激光強(qiáng)度為I=1026W/cm2時(shí)，加速梯度可達(dá)200TeV/cm，如果加速長度達(dá)到1m，電子能量為2×10？16？eV，在I=1028W/cm2時(shí)，加速梯度可達(dá)2peV/cm，加速長度為1m時(shí)，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(chǎn)生質(zhì)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(zhì)子的能量可以高達(dá)58MeV。加速梯度約為1MV/μm。質(zhì)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(nèi)容，加速質(zhì)子的機(jī)制是相當(dāng)復(fù)雜的，也提出了一些加速模型的設(shè)想。實(shí)驗(yàn)上的研究結(jié)果已顯示它存在很好的應(yīng)用前景。這表現(xiàn)在：
�。�1） 激光能量轉(zhuǎn)換成質(zhì)子束能量的效率是高的，而且和激光的能量有關(guān)，在激光脈沖能量為10J？寬度為100fs時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為1%，當(dāng)500J？500fs時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為10%，人們已經(jīng)獲得了10？13？質(zhì)子/脈沖，質(zhì)子脈沖寬度約1ps，相當(dāng)于10？25？質(zhì)子/秒，即？1。6×？106A的脈沖質(zhì)子流。
從理論到實(shí)驗(yàn)應(yīng)該研究如何進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率的問題，尤其是當(dāng)激光能量進(jìn)一步提高時(shí)，轉(zhuǎn)換效率是否還繼續(xù)上升。
�。�2） 質(zhì)子束的發(fā)散角比較小，觀察到的橫向發(fā)散角為0。5mm·mrad，比通常加速器上加速的質(zhì)子束的發(fā)散角小。
�。�3） 高能質(zhì)子束的獲得可能會在今后的十年中實(shí)現(xiàn)，按照Bulanov等人的計(jì)算結(jié)果，在I=10？23？W/cm2時(shí)，質(zhì)子可以被加速到1GeV以上，在I=1026W/cm2和1028W/cm2時(shí)，質(zhì)子能量可以達(dá)到100GeV和 10TeV。
�。�4） 目前已獲得幾十MeV的質(zhì)子束，并已用于為PET產(chǎn)生？18？F等短壽命的正電子源，在英國Rutherford實(shí)驗(yàn)室的Vulcan裝置上，在20分鐘內(nèi)制備了109Bq的？18？F源，已經(jīng)可以用在PET上。
�。�5） 產(chǎn)生200MeV的質(zhì)子，并用于質(zhì)子治癌，由于它在能量沉積上的優(yōu)越性能，以及整個(gè)裝置可以做得小，成本低，所以在治癌應(yīng)用上很有發(fā)展前景，并可應(yīng)用于中子照相。目前由激光加速產(chǎn)生的質(zhì)子的能量分散度為17%。治癌應(yīng)用要求能散度≤3%左右，因此減少能散度的工作在一些實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行中。
3。3 激光產(chǎn)生中子[10，11]
超短超強(qiáng)激光加熱氘團(tuán)簇產(chǎn)生核聚變，已經(jīng)產(chǎn)生了104中子/脈沖或105中子/焦耳，從激光的能量轉(zhuǎn)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(chǎn)額相當(dāng)，比日本大阪大學(xué)的大型激光裝置Gekko 12上的數(shù)值大一個(gè)數(shù)量級，因此是一種很有發(fā)展前景的桌面臺式的中子發(fā)生器，因?yàn)檫@種中子源的時(shí)間寬度只有1ps，是一個(gè)高中子通量的中子源，可用于材料科學(xué)和中子照相。
氘的團(tuán)簇在吸收激光能量后要發(fā)生庫侖爆炸，應(yīng)該說到現(xiàn)在為止對于庫侖爆炸的機(jī)理理解尚不非常清楚，尤其是團(tuán)簇爆炸后產(chǎn)生的氘分子和氘的小團(tuán)簇如何產(chǎn)生氘—氘的聚變反應(yīng)也缺乏細(xì)致的了解，在進(jìn)一步的改進(jìn)方面，還有發(fā)展的余地，例如，如何采用多束的超短超強(qiáng)激光同時(shí)照射團(tuán)簇，或用大于50T的脈沖磁場去推遲熱等離子體的解體時(shí)間，以增加中子產(chǎn)額。
利用超短超強(qiáng)激光和氘化聚乙烯作用來產(chǎn)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(chǎn)生了104中子/脈沖，大約每焦耳的激光產(chǎn)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(chǎn)生了3。5×105中子，這是很高的中子產(chǎn)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(shí)，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(gè)很重要的問題。沉積的能量有很大一部分要轉(zhuǎn)變成等離子體的動能，在平面靶的情況下，如何設(shè)計(jì)靶面形狀，以最大限度地使等離子體的動能對D—D反應(yīng)做貢獻(xiàn)。
3。4 激光產(chǎn)生硬的超短（~100fs）X射線[12]
用超短超強(qiáng)激光（50mJ，0。5TW，100fs）和50MeV的電子束散射可以產(chǎn)生4nm，300fs的硬X射線，雖然轉(zhuǎn)換效率不高，但產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度可以在Si表面產(chǎn)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(shí)間分辨的研究，也可以研究蛋白質(zhì)折疊動力學(xué)，蛋白質(zhì)的折疊時(shí)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(tài)。
3。5 激光產(chǎn)生正電子[13，14]
將具有幾個(gè)MeV的電子，經(jīng)過很好地準(zhǔn)直后，射到一個(gè)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(chǎn)生正電子，采用重復(fù)頻率的超短超強(qiáng)激光和高Z靶的相互作用，每脈沖可以產(chǎn)生2×107個(gè)正電子，經(jīng)過慢化后，儲存在磁場中，它對于基礎(chǔ)科學(xué)和材料科學(xué)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(xué)科在國際上也只有十多年的歷史，但發(fā)展十分迅速，搞激光技術(shù)和原子核物理的科學(xué)家們已經(jīng)開始在一起召開學(xué)術(shù)研討會，共同參加一些實(shí)驗(yàn)，由于它是一個(gè)新的生長點(diǎn)，發(fā)展比較快，也比較容易發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象，所以合作的積極性也在日益增長。隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)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(fā)展的情況有些滯后，學(xué)科之間的交叉和合作還沒有真正形成，學(xué)科之間的了解和交流還不夠，因此只在交叉學(xué)科的邊緣上做了一些工作，按照我國在激光技術(shù)和核物理方面的力量來說，都應(yīng)該有可能做出更多更好的工作。目前具有超短超強(qiáng)激光裝置的研究單位并不少，但將它們運(yùn)行好，做出好的物理工作的成果并不多。
國內(nèi)的情況也和國際上相似存在著一個(gè)問題，即搞強(qiáng)激光技術(shù)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(xué)科的發(fā)展。
從強(qiáng)場物理到超短超強(qiáng)激光技術(shù)，到應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在世界上是基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步相互推動，相互作用的一個(gè)范例，基礎(chǔ)研究的需求，以及光學(xué)科學(xué)的基礎(chǔ)，非線性科學(xué)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了超短超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展，而高強(qiáng)度激光的發(fā)展又為物理學(xué)的發(fā)展提供一個(gè)嶄新的世界。
參考文獻(xiàn)
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