研究人员展示如何利用晶体腔和钻石镜面提高 X 射线激光的亮度和功率
发布时间：2023-08-03 08:00:00 阅读数： 95
这是一个基于空腔的 X 射线自由电子激光器的图示。电子束（蓝色）穿过一个减压器（棕色和白色）。在减压器内部，电子束释放出 X 射线脉冲（橙色）。这些脉冲在一组四面镜子中反弹，直到从非相干 X 射线转变为相干 X 射线（黄色）。然后，相干 X 射线利用研究团队的 Q 开关技术离开空腔镜系统，继续沿着加速器向实验大厅内的科学家们照射。图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室
在世界各地的粒子加速器设施中，科学家们依靠强大的 X 射线来揭示原子和分子的结构与行为。现在，来自美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的研究人员已经计算出如何通过在 XFEL 周围建造一个特殊的腔室和钻石镜，使 X 射线自由电子激光器（XFEL）的 X 射线脉冲更加明亮可靠。
"我们希望让我们的 XFEL 更像激光器，"SLAC 和斯坦福大学光子科学教授黄志荣说。"几十年来，我们一直在寻找实现这一目标的方法，通过我们的新计算，我们证明了这一梦想可以成为现实。
在XFEL（如SLAC的里纳相干光源（LCLS））中，单个X射线脉冲的功率因脉冲而异。其结果是时间上不连贯的光线--不类似激光的激光--科学家更难利用它们来完成实验，因为它们的可预测性较低。
在本月发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一项新研究中，研究人员展示了如何利用复杂的晶体腔体和反射镜系统产生相干的 X 射线脉冲，而且不需要超长、超复杂的腔体。
"产生相干、更高亮度 X 射线的动机是研究现实世界中的材料，以及这些材料在不同条件下会发生什么变化，"SLAC 科学家、论文共同作者唐静怡说。"我们希望研究更动态、更难捕捉的系统"。
利用反射镜储存光线
用镜子捕捉 X 射线的想法乍看起来似乎不可能。但在像 LCLS-II 这样的高重复率加速器中，只要有合适的存储设备和丰富的想象力，这样的想法就有可能实现。
研究人员研究了一种被称为腔基 X 射线自由电子激光器（CBXFEL）的设备。在这种设计中，一个可能长达数百米甚至超过一千米的空腔结构会捕获在加速器设施（如 SLAC）中产生的非相干 X 射线脉冲。
在空腔内部，X 射线从四个钻石镜面上反弹，这些镜面以矩形圈的方式发送 X 射线脉冲。当脉冲在空腔内运行时，加速器内的下一个电子束就会朝它们移动。当电子束到达时，反弹的 X 射线脉冲与电子束相互作用，将其收紧并组织起来。当电子束在一个名为 "调节器 "的装置中摆动时，这个更紧密的电子束将在加速器的更远处产生更连贯、更明亮的 X 射线。
在他们进行新的计算之前，研究人员认为，要在X射线脉冲在腔体中跳动时保持其功率，可能需要间隔紧密的电子束或一公里长的腔体，这使得这一想法更难实现。
"我们的研究表明，一个高质量的空腔系统可能只需要100-300米长，即使是以较慢的重复率运行的强大XFEL，这意味着电子束之间的空间更大，"SLAC科学家和合著者张震说。
控制空腔损耗
这种新设计的关键在于控制研究人员所说的空腔品质因数 Q。Q 值越高，意味着反射率越高，从而使 X 射线功率在腔体内再循环时几乎没有损耗。Q 值越低，反射率越低，这意味着大量 X 射线会离开腔体，并向加速器下方传输。
当 X 射线在一个较短的空腔中再循环而不与电子束发生任何作用时，Q 值会保持在很高的水平。当这些 X 射线与进入的电子束相互作用时，研究人员可以精确控制放大的 X 射线波长和光谱，从而改变空腔的 Q 值，这就是所谓的 Q 值切换。这意味着，当 X 射线具有足够高的功率时，也就是当 X 射线准备离开腔体并沿着加速器进入实验时，他们可以降低 Q 值。
通过控制 Q 值，研究人员可以让相干 X 射线脉冲在腔体和反射镜系统中循环多次。现在，相干 X 射线脉冲在系统中循环的能力几乎没有损失，这使得脉冲有更多的时间来积累功率，从而缩短了所需的腔体长度，产生了高输出功率的 X 射线。
未来一年，SLAC 的科学家和工程师将与阿贡国家实验室和其他机构合作，在 SLAC 的 LCLS 上建造一个测试腔。实验的最初目标是证明 X 射线在腔体中再循环后功率的增加，并观察腔体的性能。研究人员说，在达到实验的最初目标后，还可以在这样的 CBXFEL 系统上测试 Q 开关。
参考资料
Jingyi Tang et al, Active Q-Switched X-Ray Regenerative Amplifier Free-Electron Laser, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.055001
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