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粒子在加速器里“快成一道光”是什么体验?

2021-10-20 15:48     来源:Nature Portfolio     粒子加速器自由电子激光同步加速器
研究人员可以用粒子加速器发出的光来探测物质的结构。一个实验表明了如何将两个这样的光源(同步辐射加速器和自由电子激光器)的特性结合在一起。

数十年来,粒子加速器已经得到广泛应用,使人们对物质的研究越来越细致。带电粒子在加速时会发光,利用这种现象的加速器是目前可用的最明亮的人造光源之一,使科学家能够在前所未有的微小空间和时间尺度上探测物质的性质。邓秀杰[1]等人在《自然》上报导了一个在加速器上进行的概念验证性实验,该实验可以进一步扩展这些设备的功能,并有望应用在称为极紫外线光刻的下一代芯片刻蚀技术[2]和称为角分辨光电子能谱技术[3]的先进成像方法。

基于加速器的光源主要有同步辐射加速器(环形加速器)和自由电子激光器(线性加速器)这两种类型。同步加速器具有很高的平均功率(每单位时间产生的光子数),并且可以产生具有可调波长和宽带宽(波长范围)的光脉冲。高功率之所以成为可能,是因为成束的粒子环绕圆形机器旋转多次,并在它们每次穿过一系列极性交替的磁铁(波荡器或扭摆器)时产生光。

自由电子激光器的平均功率比同步辐射加速器低,因为它们使用电子束仅一次。然而,与同步辐射加速器产生的光相比,它们产生的光脉冲具有更小的带宽和更高的亮度(最高可达前者100亿倍[4])。在自由电子激光器中,电子发出的辐射会反作用于这些粒子,从而使它们聚集到辐射波长大小的区域。这些“微聚束”电子产生的光波是相干的(同步),并且彼此增强以实现前述超高亮度。


图1 | 微束电子束的辐射发射。邓秀杰等人[1]进行了一个概念验证性实验,其中电子的“束”环绕同步辐加速器的环形粒子加速器运行。电子束穿过一系列极性交替的磁体(由两种不同的颜色表示)时,横向振荡。在此阶段,作者们向电子束发射激光脉冲,使不同的电子带上不同的能量。然后,电子束绕行加速器一整圈。在绕行一圈之后,电子被分组为“微束”,其距离约等于激光脉冲的波长(虚线所示)。最终,邓和同事们检测到了这些微聚束发出的辐射光。(改编自参考文献[1]的图1)


邓秀杰和同事们的研究结果基于一个称为稳态微聚束[5]的概念,该概念旨在结合大功率同步辐射加速器与低带宽、高亮度自由电子激光器的特性。通过在电子通过波荡器时向电子发射一个(常规的)激光脉冲,同步辐射加速器中的电子束在发射出辐射光波之前被迫形成微聚束(图1)。波荡器使电子横向振荡,激光脉冲使不同的粒子具有不同能量。

这束改造过的电子束在机器中环绕运行时,高能电子与低能电子相比,在被用来操控粒子的磁场中的偏转更小(因此走的路径更长),使它们向后滑动。到电子完成绕加速器运行一圈时,这种纵向滑移已导致粒子形成微束,其性质类似于用于驱动自由电子激光器的电子。这些微束之间的距离大约是入射激光脉冲的波长。

如前所述,微束电子束的相干发射产生的光脉冲,比通过非相干发射产生光的功率更高。邓秀杰等人在位于柏林的同步加速器(Metrology Light Source,计量光源)处检测了典型电子束产生的辐射光,随后将该辐射光与使用新方法微束化的光束进行了比较。

在使用带通滤波器除去残留的非相干辐射光之后,邓秀杰及同事们检测到了清晰的微束信号,表明发生电子束相干辐射。他们还研究了辐射能量和束电荷的关系,发现该辐射强度与束电荷的平方成正比,作者通过改变束电荷并分析产生的辐射观测到了这种平方关系。

尽管本文代表了在粒子加速器中生成高功率、窄带宽光脉冲的关键步骤,但尚未展示出稳态微聚束。邓秀杰秀林等人表明,绕同步加速器旋转一圈后,微束电子束会产生相干辐射光。下一个挑战是证明绕上许多圈仍可实现该成果。这很难通过实验完成,原因有三:

首先,纵向滑移会在多次旋转中降低微束聚的程度。其次,为了实现大功率(千瓦级)的稳态发射,入射激光脉冲必须与电子束在每次旋转中都同步,并被约束在称为激光腔的反射装置中。第三,如果不使用反馈回路控制,束中电子之间的集体相互作用最终将降低辐射的功率和亮度。

最初概念有一些变体方案[5-7]可改善辐射性质,或能超越邓秀杰秀林等人的研究结果。展现这些方案意味着巨大技术难题,但是作者的概念验证性实验开辟了道路,通往实现高功率、高亮度、窄带宽且性能可能会超过当前同步加速器的光源。此外,其他类型的光源,例如开发中的存储环自由电子激光[8]和能量回收线性加速器[9],也许会引领下一代加速器的诞生。尽管在这些方案得到可靠证实前还有重重障碍,但作者们的发现为未来高功率加速器光源提供了展望。
 

参考文献:

1. Deng, X. et al. Nature 590, 576–579 (2021).

2. Bakshi, V. EUV Lithography (SPIE Press, 2018).

3. Damascelli, A., Hussain, Z. & Shen, Z.-X. Rev. Mod. Phys. 75, 473–541 (2003).

4. Nature Struct. Biol. 5, 657–658 (1998).

5. Ratner, D. F. & Chao, A. W. Phys. Rev. Lett. 105, 154801 (2010).

6. Ratner, D. & Chao, A. 33rd Int. Free Electron Laser Conference (FEL, 2011) 57–60 (2011).

7. Jiao, Y., Ratner, D. F. & Chao, A. W. Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams 14, 110702 (2011).

8. Lee, J. et al. J. Synchr. Radiat. 27, 864–869 (2020).

9. Nakamura, N. et al. J. Phys. Conf. Ser. 874, 012013 (2017).

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