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更接近紧凑型 X 射线激光器

2021-07-26 11:30          X射线粒子加速器
被称为自由电子激光器的光源可以产生用于广泛应用的强烈 X 射线辐射。该过程通常需要巨大的粒子加速器,但一项实验显示了如何克服这一限制。

卢卡·詹内西 用于调查我们世界的新工具的出现总是会带来新的发现。称为自由电子激光器 (FEL) 的光源就是此类工具的示例。FEL 可以产生多种波长的辐射,包括极紫外1和 X 射线2范围,并且可以产生超短脉冲,在飞秒3 (10 –15  s) 甚至阿秒4 (10 –18 s) 时间尺度。在这些时空尺度上,生物学、化学和物理学之间几乎没有什么区别,而 FEL 已经彻底改变了这三个学科。FEL 使物质能够就地冻结并在微观层面进行观察,使科学家能够解析原子或电子的运动,控制化学反应并跟踪化学键或能量转移过程的动力学。在Nature 上的一篇论文中,Wang等人。5报告了紧凑型 X 射线 FEL 发展的里程碑。

FEL 产生的辐射来自高能电子束,该束穿过波荡器,这是一长串交替极性的磁铁(图 1)。波荡器使电子横向振荡,振荡光束发出的光的波长与振荡空间周期除以光束能量的平方成正比。因此,光束能量是用于调整 FEL 光输出波长的主要参数之一。

图1 | 由在激光激发的等离子体波中加速的电子驱动的自由电子激光器。王等人。5向气体射流发射激光脉冲以产生称为等离子体的电离气体。等离子体中的电子在“冲浪”称为等离子体波的电磁波时被加速。作者将产生的高能电子束引导到称为自由电子激光器的光源中,该光源包括一组交替极性的磁体(由两种灰色阴影表示)。这些磁铁使光束横向振荡并发出辐射。最初,电子随机分布并产生低振幅光。然而,当离开磁铁时,电子聚集成辐射波长大小的区域并发射高振幅光。

如果光束具有足够高的电流并且足够单色,则能量可以有效地从电子束转移到激光——也就是说,如果电子具有相似的能量、遵循相似的轨迹并发射具有相似特性的光。当这种高亮度光束与波荡器内部产生的光的电磁场相互作用时,光束将其部分动能传递给激光。结果,光在通过波荡器传播时被放大了几个数量级。因此,FEL 需要高能量和高亮度的电子束来产生短波长的强激光,例如极紫外或 X 射线波长。

电子束通常通过将电子注入一长串称为共振腔的空心金属结构中来加速,其中粒子通过“冲浪”电磁波逐渐获得能量。最终能量取决于波的振幅(即加速场的强度)和加速器的长度。目前的技术将加速腔中的场强限制为每米几十兆伏。因此,需要几百米到几公里长的加速器才能达到 X 射线 FEL 所需的几千兆电子伏 (GeV) 的束能量。因此,高能电子束往往只能在大型加速器设施中使用,这限制了可以使用 FEL 或需要高能电子的高级研究工具的科学家数量。

这种限制是寻找产生强加速场的替代方法以减少与加速器相关的足迹和成本的动机之一。一个很有前景的想法是利用光激光器的高功率密度在等离子体(一种电离气体)中激发电磁波6。在等离子体中可以产生比传统加速腔强数千倍的加速场。有了这样的场,X 射线 FEL 所需的电子束能量可以在几十厘米而不是几公里内达到。

等离子体波可以由激光脉冲或电子束本身激发。事实上,有可能以这样的方式对束流进行整形,即束流的一部分激发波,然后加速同一束流的第二部分。这两种方法之前都曾被探索过,并证明了与预测的6相似的巨大场强7、8. 但是,使用这些光束成功驱动 FEL 的缺失要素之一与光束质量有关。具体来说,电子之间的能量差异太大,发射的辐射表现为随机分布的电子,而不是电子聚集成辐射波长大小的区域,其光放大率是几个数量级更大。

各个团队正在集中精力寻找稳定可靠的电子束加速条件,该电子束对于 FEL 放大来说是足够单色的9。王等人。已经证明,这种放大可以使用在激光激发的等离子体波中加速的电子来实现(图 1)。作者通过向直径仅为 6 毫米的气体射流发射激光脉冲来产生等离子体波。通过操纵气体的密度,他们沿着加速方向塑造等离子体密度,并将来自等离子体的电子加载到等离子体波的加速阶段。该技术确保产生的光束能量约为 0.5 GeV,具有足够的质量来放大输出波长为 27 nm 的极紫外 FEL 中的辐射。

Wang 及其同事的 FEL 的性能尚无法与现有的 FEL 设施相匹配,这些设施可产生类似波长的辐射1 , 10。然而,这种激光器代表了一项技术突破,其稳定性、再现性和将能量从电子束转移到辐射的效率可能会在未来得到改善。作者的实验为由极其紧凑的加速器11驱动的 FEL 铺平了道路,可以在大学规模的设施中进行管理。对有利于发现的新工具的要求之一是其可用性,而这项工作有望增加 FEL 光在世界上的可用性。

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