激光等離子體加速器比傳統(tǒng)設(shè)備占用的空間更小，傳統(tǒng)設(shè)備有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里。這種緊湊的粒子源可以高效加速電子束，使X射線激光器可以安裝在大學(xué)研究所的地下室中。
但仍有幾個(gè)挑戰(zhàn)需要解決：為了產(chǎn)生紫外線或X射線，激光等離子加速器產(chǎn)生的電子束必須非常精細(xì)地捆綁在一起并具有明確的特性。
到目前為止，甚至很難精確測(cè)量這些粒子束?，F(xiàn)在，亥姆霍茲德累斯頓-羅森多夫中心(HZDR)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新穎的測(cè)量方法，該方法將有助于推動(dòng)激光等離子體加速的發(fā)展。
在激光等離子體加速中，激光向氣體中發(fā)射強(qiáng)光脈沖。脈沖強(qiáng)度如此之強(qiáng)，以至于氣體被電離并產(chǎn)生等離子體——電子和離子的混合物。當(dāng)激光脈沖迫使較輕的電子比較重的離子更快地離開時(shí)，在其后面會(huì)形成一個(gè)帶正電的“氣泡”。如果將一些電子注入這個(gè)氣泡中，電磁場(chǎng)的強(qiáng)度實(shí)際上可以將它們彈射出去。
這個(gè)過(guò)程只需要幾厘米，但可以加速成束的電子，其速度與傳統(tǒng)的幾十甚至幾百米的裝置一樣，并使用無(wú)線電波來(lái)移動(dòng)粒子。
自由電子激光器(FEL)是最先進(jìn)的激光等離子體加速器的一個(gè)有趣應(yīng)用。在這里，電子束以接近光速的速度穿過(guò)所謂的波蕩器。這組磁鐵迫使粒子進(jìn)入障礙路徑，使它們發(fā)出強(qiáng)烈的類似激光的X射線或紫外線閃光，這些閃光可用于追蹤極快的過(guò)程，例如在千萬(wàn)億分之一秒內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。
緊湊且經(jīng)濟(jì)高效
目前已有數(shù)臺(tái)此類研究機(jī)器，包括位于漢堡的歐洲XFEL。它們基于傳統(tǒng)的直線加速器，其中一些加速器長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里。但到目前為止，這些設(shè)備非常稀少，因此可用的光束時(shí)間有限。如果FEL能夠基于激光等離子體加速器建造，那么這些設(shè)備可以非常緊湊且經(jīng)濟(jì)高效地建造，例如，大學(xué)研究所也能夠負(fù)擔(dān)得起。因此，這項(xiàng)技術(shù)將可供比現(xiàn)在更多的研究團(tuán)隊(duì)使用。
目前已經(jīng)取得了初步成功：自2021年以來(lái)，三個(gè)研究小組已經(jīng)成功證明可以實(shí)現(xiàn)基于等離子體加速器的FEL，這三個(gè)小組分別是中國(guó)上海的團(tuán)隊(duì)、羅馬附近弗拉斯卡蒂的團(tuán)隊(duì)以及與HZDR輻射物理研究所的物理學(xué)家ArieIrman博士合作的團(tuán)隊(duì)。
在《自然光子學(xué)》雜志的一篇評(píng)論文章中，參與者總結(jié)了當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r并列出了尚未解決的研究問(wèn)題。
“除其他事項(xiàng)外，我們必須提高加速電子束的質(zhì)量和穩(wěn)定性，并盡量減少電子束內(nèi)電子能量的分布，”論文作者之一伊爾曼解釋說(shuō)。“但開發(fā)新的診斷方法也很重要，以便更精確地研究激光等離子加速器中的過(guò)程。”
電子束穿過(guò)箔
這就是新的HZDR項(xiàng)目的意義所在：Irman團(tuán)隊(duì)的博士后MaxwellLaBerge博士開發(fā)了一種測(cè)量程序，使科學(xué)家能夠詳細(xì)分析長(zhǎng)度僅為幾微米的極短電子束。該論文發(fā)表在《自然光子學(xué)》雜志上。
LaBerge解釋道：“我們將電子束以接近光速的速度從等離子加速器發(fā)射到薄金屬箔上。這會(huì)使箔片表面的電子運(yùn)動(dòng)起來(lái)。”
因此，這些電子發(fā)出信號(hào)——就像發(fā)射天線一樣——可以被傳感器檢測(cè)到。“利用這個(gè)信號(hào)，我們可以精確地重建穿過(guò)箔片的電子束的樣子，”拉伯格在描述這一過(guò)程時(shí)說(shuō)道，這一過(guò)程的專業(yè)術(shù)語(yǔ)是相干光躍遷輻射(COTR)。
HZDR的專家們利用他們的新測(cè)量方法探索了將電子注入等離子體氣泡的不同方法。Irman表示：“我們已經(jīng)能夠確定不同的注入方法會(huì)產(chǎn)生完全不同形式的電子束，這表明新方法可以幫助更精確地控制電子束的形式和結(jié)構(gòu)。”
對(duì)快速電子束的控制越好，它們?cè)贔EL中產(chǎn)生的光就越亮、越穩(wěn)定。
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