用于超小型X射线激光器的冰冷电子束

​斯特拉思克莱德大学的研究中所模拟的冰冷的电子束可以为将X射线自由电子激光器（X-FELs）缩小到其目前尺寸的一小部分铺平道路。

X-FELs将电子束的动能转换成强大的光子脉冲，低至硬X射线波长，通常被称为 "发现的引擎"。X-FELs被用来为热密物质研究创造极端物质条件，为下一代微芯片研究材料特性，为新药物解决复杂生物大分子的结构，以及许多其他应用。

FELs的核心是电子束在一个被称为起振器的装置内的路径上摆动，该装置有一个交变的磁场。作为摆动运动的结果，电子束发射出突发的光子，并且一个正反馈效应将电子束构造成辐射波长的微束。因此，辐射功率沿着起伏器呈指数级增长，并变得高度一致。

只有当电子束在相对论能量下具有高质量时，这种自组织效应才能发生。然而，为了满足严格的电子束质量要求，最先进的X-FEL是千米级的精调机器，成本高达十亿英镑。因此，全世界只有少数几个X-FEL设施，迄今为止，英国还没有。

斯特拉思克莱德大学的研究表明，通过高保真的从头到尾的模拟，配备了 "特洛伊木马 "的先进电子注入方法（即等离子体光阴极）的等离子体瓦克菲尔德加速器（PWFA）可以产生比最先进的电子束亮10万倍。这是因为低动量扩散分布，产生极冷的电子束。

PWFA还具有加速电场，其容量为每米几十到几百吉瓦，这使得加速器可以在厘米尺度上实现，而传统加速器的尺度为千米。

该研究探讨了如何从等离子体光电阴极PWFA中提取、运输、隔离和注入超高亮度的冰冷电子束，而不产生电荷和质量损失；它们保持低温，不会 "融化"。聚焦到起伏器中，超高质量的电子束会产生强大的相干的、类似激光的光子脉冲，脉冲持续时间为阿秒级（1×10-18秒）。除了电子和产生的光子脉冲的极端质量外，整个系统的空间足迹可能只有几十米，与最先进的、千米大小的X-FEL机器相比，它的空间足迹更小。

从事这项研究的科学家们认为，在这项研究中取得的三个里程碑可能是通往下一代超小型X-FEL的一个通道。这项研究已经发表在《自然通讯》杂志上，并构成了全国范围内英国X-FEL项目的一部分。

斯特拉思克莱德大学物理系副研究员、该研究的主要博士后研究员Fahim Habib说："基于这一方案的超紧凑等离子体X-FEL的前景令人难以置信。我们的结果是重要的第一个里程碑，但在实现该方法的实验方面，我们还有很多工作要做。"

领导该项目的斯特拉斯克莱德大学的Bernhard Hidding教授说："在我们的战略伙伴斯坦福大学的SLAC FACET设施的特洛伊木马合作中，获得了PWFA中等离子体光电阴极注入的第一个实验证据。现在，通过我们在后续设施SLAC FACET-II的计划，我们旨在开发该计划在光束质量和稳定性方面的真正潜力。"

物理系读者Brian McNeil博士说："亮度是自由电子激光的关键性能参数。如果能从等离子体中实现我们的计算研究中所显示的那样明亮而短的电子束，这将对光子科学产生巨大的影响。"

更多信息：A. F. Habib et al, Attosecond-Angstrom free-electron-laser towards the cold beam limit, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36592-z

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