研究人员借鉴了“特洛伊木马”的策略
研究人员如何从最基本的层面探索大自然？在“超级显微镜”的帮助下，他们得以分辨原子和亚原子的细节。然而，这在可见光下是行不通的。因此，研究人员使用电子束来探测物质的最小维度信息。电子束的应用涉及粒子对撞机或X射线激光器，而这些仪器的核心是粒子加速器：它们首先在“源”处产生电子，然后在一系列加速器腔中提高它们的能量。
sciencedaily.com网站8月13日报道，美国能源部斯坦福线性加速器中心（SLAC）等机构的研究人员，在《自然·物理学》杂志中展示了一种基于等离子体的、可用于更紧凑、更强大的粒子加速器的高亮电子源。该方法与“特洛伊木马”很相似：古希腊士兵（电子）隐藏于木马（等离子体）中，被带入特洛伊城（加速器）。苏格兰斯特拉斯克莱德大学的研究人员、论文作者Bernhard Hidding说：“我们的实验首次证实了‘特洛伊木马’方法的有效性。这可能是未来电子源领域最具前途的方法之一，它可能会突破当今技术的局限。”
在目前使用的最先进的加速器中，电子是通过激光照射金属光电阴极而产生的。电子在金属腔内加速，从射频场中持续吸收能量，进而形成高能电子束。在X射线激光器中，如SLAC的线性相干光源（LCLS），光束驱动可产生极其明亮的X射线。然而，在一定距离内，金属腔只能支持有限的能量增益或加速梯度。因此，高能光束加速器变得非常巨大和昂贵。近年来，包括SLAC在内的许多地方的科学家们一直在尝试寻找让加速器“紧凑化”的方法。“特洛伊木马”项目将等离子体的概念扩展到了加速器的电子源。SLCA研究人员、论文作者Mark Hogan说：“此前，我们已经证实等离子体加速非常强大和高效，但我们还没有能力为未来应用提供高质量的光束。改善光束质量成为未来几年的首要任务，而开发新型电子源则是其中最重要的部分之一。”
Hidding及其同事的计算结果显示，特洛伊木马技术最高可以使电子束的亮度提高上万倍。电子束亮度的提升将使未来的X射线激光器更加明亮，并进一步增强它们的科学性能。研究人员James Rosenzweig说：“如果我们能够将等离子体高加速度梯度和等离子体电子束进行结合，那么制造高强度X射线激光的距离将缩短到几米。”
研究人员们在SLAC的先进加速器实验测试设施（FACET）中进行了他们的实验。该设施正在进行重大升级，以产生高能电子脉冲，用于下一代加速器技术（包括等离子体加速）。首先，研究人员将激光射向氢气和氦气组成的混合气体。激光有足够的能量从氢中剥离电子，使其变成等离子体。但激光的能量不足以影响氦气，因此氦在等离子体中继续保持中性。随后，科学家们将FACET的电子束发送到等离子体中，形成等离子体尾流。尾随电子可以在尾流中获取巨大的能量。当电子束及其尾流经过等离子体时，研究人员用第二束高聚焦激光照射等离子体中的氦，此次的光脉冲有足够的能量将电子“踢出”氦原子，然后在尾流中加速。电子同步等过程的时间非常短，对研究人员来讲极具挑战性。加州大学洛杉矶分校的研究人员、论文作者Aihua Deng说：“如果激光介入太早，产生的电子会干扰等离子体尾流的形成。如果介入太晚，等离子尾流已经通过，电子不会获得加速效果。”
研究人员预计，由特洛伊木马方法获得的电子束的亮度已经可以与现有最先进的电子源产生的电子束亮度媲美。论文作者Oliver Karger解释说：“我们的技术之所以具有革命性，是因为它产生电子的方式非常独特。当电子从氦中剥离出来后，它们会正向快速加速。这使得光束被紧紧束缚在一起，而这一束缚效果是形成更明亮光束的先决条件。”
与小型X射线激光器类似，特洛伊木马方法还需继续完善。这些工作有望在FACET升级项目完成后进行。SLAC主管Vitaly Yakimenko表示：“特洛伊木马项目依赖于利用强电子束产生等离子体尾流的能力。FACET-II将是世界上唯一能够产生高强度、高能量光束的场所。”
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编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：唐林芳
期刊来源：《自然·物理学》 期刊编号：1745-2473
原文链接： https://www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190813144513.htm
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