據(jù)悉,英國(guó)思克萊德大學(xué)研究人員對(duì)趨于冷束極限的阿秒自由電子激光器的研究以“Attosecond-Angstrom free-electron-laser towards the cold beam limit”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。
電子束質(zhì)量是自由電子激光器(FELs) X射線脈沖產(chǎn)生的關(guān)鍵。最先進(jìn)的線性加速器(linacs)可以提供足夠質(zhì)量的多GeV電子束,用于硬X射線FELs,盡管需要公里級(jí)的設(shè)置,而基于等離子體的加速器可以在米級(jí)距離上產(chǎn)生多GeV電子束,并開始達(dá)到足以用于EUV FELs的束流質(zhì)量。本文中,研究人員展示了等離子體光陰極的電子束可以在等離子尾場(chǎng)加速器(PWFAs)中產(chǎn)生,比最先進(jìn)的光陰極亮許多數(shù)量級(jí),然后提取、捕獲、運(yùn)輸和注入波動(dòng)器而沒有顯著的質(zhì)量損失。這些超亮的亞飛秒電子束可以在冷束極限附近驅(qū)動(dòng)硬X-FELs,產(chǎn)生阿秒級(jí)的相干X射線脈沖,僅在波動(dòng)器運(yùn)動(dòng)10米后就達(dá)到飽和。這種等離子體X-FELs為先進(jìn)的光子科學(xué)能力開辟了道路,例如在自然時(shí)間和長(zhǎng)度尺度上對(duì)原子內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)的不受干擾的觀察,以及朝著更高的光子能量前進(jìn)。
整體設(shè)置如圖1所示,由三個(gè)主要構(gòu)建塊組成:等離子體加速器,其中產(chǎn)生超亮電子束,光束傳輸級(jí),其中超亮電子束被捕獲、隔離和傳輸,以及波動(dòng)器,產(chǎn)生 X 射線脈沖。
圖1:實(shí)驗(yàn)設(shè)置。
文中,研究人員展示了從頭到尾的模擬研究,如何從PWFA中產(chǎn)生具有前所未有的發(fā)射度和亮度的亞飛秒電子束,如何在不損失電荷的情況下傳輸它們,并在幾nm-rad級(jí)的發(fā)射度下完全保存,以及如何利用這些超亮光束進(jìn)行阿秒埃級(jí)X-FEL脈沖生產(chǎn)。
等離子尾場(chǎng)加速器和等離子光電陰極注入器級(jí)
圖2:PWFA階段的胞內(nèi)粒子模擬。
束運(yùn)輸階段
圖3:束傳輸。
圖4:用Puffin模擬的x射線FEL脈沖產(chǎn)生。
這項(xiàng)研究開啟了廣泛的應(yīng)用和配置,例如更硬的光子能量,多色光子脈沖和光子脈沖的改進(jìn)模式的前景。
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36592-z
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