X 射線自由電子激光器 (XFEL) 用于創(chuàng)造極端物質(zhì)條件，使材料科學(xué)、熱致密物質(zhì)研究和藥物開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究成為可能。目前，這種激光器是龐然大物，需要耗資數(shù)十億美元的千米級(jí)裝置。英國(guó)斯特拉斯克萊德大學(xué)的研究人員現(xiàn)在提出了基于等離子體尾場(chǎng)加速器 (PWFA) 的小型化 XFEL 的新藍(lán)圖。這種只有幾米大小的設(shè)備可能預(yù)示著下一代超緊湊 XFEL 的出現(xiàn)。

首席研究員Fahim Habib解釋道：FEL 包含相對(duì)論電子束，在具有交變磁場(chǎng)的‘波蕩器’內(nèi)以正弦路徑擺動(dòng)，由于擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，電子束發(fā)出光子爆發(fā)，正反饋效應(yīng)將電子束構(gòu)造成輻射波長(zhǎng)的微束。

這種聚束的結(jié)果是輻射功率沿著波蕩器呈指數(shù)增長(zhǎng)并變得高度相干。然而，這種自組織效應(yīng)只有在電子束在相對(duì)論能量下具有高質(zhì)量時(shí)才會(huì)發(fā)生。如今，使用直線加速器 (linacs) 可以實(shí)現(xiàn)如此高的光束質(zhì)量，這使得 XFEL 長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里。

基于等離子體的加速器

基于等離子體的加速器可以在更短的距離（僅幾厘米）內(nèi)產(chǎn)生這種數(shù)千兆電子伏 (GeV) 的光束，光束質(zhì)量接近 XFEL 所需的光束質(zhì)量。Habib 及其同事現(xiàn)已表明，來(lái)自等離子體光電陰極的電子束可能比直線加速器中產(chǎn)生的電子束要亮得多，并且可以在 PWFA 中產(chǎn)生。

韋克菲爾德加速器通過(guò)將密集的帶電粒子束（如電子）發(fā)射到靜止的等離子體（本質(zhì)上是電離粒子的氣體）中來(lái)運(yùn)行。電子束將負(fù)電荷（電子）與目標(biāo)中靜止的背景離子分開(kāi)，從而產(chǎn)生短的尾隨等離子體波。與這種等離子波相關(guān)的電場(chǎng)會(huì)加速尾流中的帶電粒子，這就是術(shù)語(yǔ)尾場(chǎng)的來(lái)源。如果尾隨的帶電粒子束的時(shí)間安排得當(dāng)，它可以沖浪并急劇加速——在幾厘米的距離內(nèi)達(dá)到 GeV 的動(dòng)能。然而，光束質(zhì)量遠(yuǎn)達(dá)不到 XFEL 的要求

由 Habib 及其同事開(kāi)發(fā)的先進(jìn) PWFA 配備了一種稱(chēng)為等離子體光電陰極（又名“特洛伊木馬”）的新型電子注入方法，由于電子束的低動(dòng)量擴(kuò)散分布，它可以產(chǎn)生比直線加速器亮度高 100,000 倍的電子束。

整個(gè)系統(tǒng)只有幾米大小

在他們的工作中，研究人員研究了如何在不損失電荷和質(zhì)量的情況下提取、傳輸、隔離來(lái)自等離子體光電陰極 PWFA 的超高亮度電子束并將其注入波蕩器。聚焦到一個(gè)波蕩器中，超高質(zhì)量的電子束在飛行中產(chǎn)生強(qiáng)大的埃波長(zhǎng)的相干光子脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間在阿秒級(jí)，令人驚喜的是，與最先進(jìn)的千米級(jí) XFEL 機(jī)器相比，整個(gè)系統(tǒng)的尺寸只有幾米。

結(jié)果是邁向下一代超緊湊 XFEL 的第一個(gè)里程碑。研究人員的愿景是將這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展成為大學(xué)級(jí)實(shí)驗(yàn)室甚至醫(yī)院的標(biāo)準(zhǔn)工具。

PWFA 中等離子體光電陰極注入的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)是與他們的戰(zhàn)略合作伙伴斯坦福 SLAC FACET 設(shè)施的特洛伊木馬合作中獲得的。現(xiàn)在，通過(guò)他們?cè)诤罄m(xù)設(shè)施SLAC FACET-II的計(jì)劃，他們的目標(biāo)是在光束質(zhì)量和穩(wěn)定性方面開(kāi)發(fā)該計(jì)劃的真正潛力。