小型化等离子体加速器可产生高能电子束

近日，英国科研团队表明，等粒子体加速器可以产生更多、频率更高的电子束，远远超过当今世界上少数运行的大型自由电子激光器（FELs）。该团队对一个由等离子体尾波场装置驱动的自由电子激光（FEL）进行了端到端的模拟，将加速电子从等离子体中提取出来。它们指出，该装置可以产生相干的硬X射线脉冲，每个脉冲只有100 as。

图1 等离子体尾波场装置加速电子并转化为X射线的艺术效果图。[1]

更小、更便宜的加速器

FELs通过一种称为波动器的装置发射高能电子，从而产生大量受欢迎的高频光。这种交错级数的磁铁迫使电子振荡并发射光子，这反过来导致电子在发射波长范围内聚集起来。随着辐射功率沿着波荡器呈指数级增长，结果就是一系列异常明亮的相干态闪光。

这个过程依赖于这种高能电子，其能量、空间位置和动量范围也非常狭窄。现有FEL通过加速射频腔实现高能电子。然而，这种腔体能承受的电场强度非常有限，限制了最大速度，这意味着需要加长加速器，提高装置成本（最新加速器造价超过10亿美元）。

由于等离子加速器具有高得多的电厂梯度，因此它可实现小型化、低成本。当高能粒子或激光脉冲穿过等离子体，将等离子体电子推到一边，并很快在它们尾迹中留下一个带正电区域，形成电子梯度。然后，电子在这个区域聚集，负电荷多于正电荷，这个区域带负电，其它电子与其相互作用，从而沿着这个波加速。

科学家们已经通过这种方式使电子束达到了每米几十亿伏特，然而，由于他们无法同时将能量传播和发射动量(能量和横向动量分布)限制在实验水平，因此仍无法达到传统加速器所能达到的光束质量。其结果是等离子体驱动的 FEL 能够产生高达软 X 射线波长的非相干辐射，或者在极紫外辐射区域产生相干输出。

更亮的电子束

2019年，英国斯特拉斯克莱德大学、美国 SLAC 国家加速器实验室合作团队展示了如何通过改变电子加速方式来提高光束质量。他们的“Trojan horse”技术包括利用等离子体波中释放的“冷”电子，通过激光脉冲电离背景气体，而不是从等离子体外注入“热”电子。在 SLAC 的 FACET 设施工作时，他们使用不同的激光脉冲电离氢原子，产生等离子体和氦原子，从而产生冷电子。

现在，斯特拉斯克莱德大学的Bernhard Hidding和Fahim Habib领导的这项合作的一部分，已经继续研究这种腔产生的电子特性是否可以在利用其稳定地产生 x 射线并且不会快速衰减。该团队的计算机模拟包括产生一个额外的电子束来重叠主电子束，并在放弃前者之前将其能量传播最小化，然后引导后者通过波荡器。

基于此，Hidding团队发现，应该有可能产生比射频装置中最亮的数量级更亮的电子束，然后提取、分离和传输这些电子束，而不会造成能量传播或发射率的显著降低。他们推断，波动器的输出将是波长小于盎司的相干 X 射线脉冲，持续时间约为100阿秒(≈10-16秒) ，在电子振荡10米后达到最大亮度。

未来方向

该团队认为，这种短波长脉冲可以在基础科学、医学和工业领域得到广泛的应用。此外，他们称，未来有可能实现电子在其自然时间和长度尺度上的运动成像，从而可以研究生物分子和化学反应中的超快电荷转移。

至于这种自由电子激光器的体积，Hidding团队表示，如果用来产生尾波场的电子来自一个等离子体装置，那么它的大小可能只有几十米。等离子体装置是用激光而不是粒子加速器来产生尾波场的。与射频线性粒子加速器相比，这种激光尾波场加速器产生的电子束具有更高的能量分布和发射率，然而，这些电子束虽然不适合硬 X 射线的产生，但足以应用于另一种等离子体设备。

实际上，他们认为这样的串联等离子体加速器可能使硬 X 射线 FELs“无处不在地被用作探测等离子体、核或高能物理的诊断手段”——可能被放置在中等规模的大学实验室和教研医院中。但是他们描述，这项技术的实际应用还需要若干年研究。

[1] Habib A F, Manahan G G, Scherkl P, et al. Attosecond-Angstrom free-electron-laser towards the cold beam limit[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 1054.

新闻链接：

https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2023/march/brighter_electron_beams_for_more_compact/