2019-08-14 09:31:02
原子特洛伊木马可以激发新一代的X射线激光器和粒子碰撞器

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研究人员如何从最基本的层面探索自然?他们构建了可以解决原子和亚原子细节的“超显微镜”。这对于可见光不起作用,但它们可以用电子束探测物质的微小尺寸,或者直接在粒子碰撞器中使用它们,或者通过在X射线激光器中将它们的能量转换成明亮的X射线。这种科学发现机器的核心是粒子加速器,它首先在一个源处产生电子,然后在一系列加速器腔中增加它们的能量。

现在,包括能源部SLAC国家加速器实验室科学家在内的国际研究团队已经展示了一种基于等离子体的更加明亮的电子源,可用于更紧凑,更强大的粒子加速器。

这种方法,其中光束的电子从等离子体内的中性原子释放,被称为特洛伊木马技术,因为它让人想起古希腊人通过隐藏他们的强大士兵入侵特洛伊城的方式(电子)在木马(等离子体)内,然后被拉入城市(加速器)。

“我们的实验首次表明特洛伊木马方法确实有效,”苏格兰格拉斯哥斯特拉斯克莱德大学的Bernhard Hidding说,他是今天发表在“自然 - 物理学”杂志上的一项研究的主要研究者。 “它是未来电子资源最有前途的方法之一,可以突破当今技术的界限。”

用等离子替换金属

在当前最先进的加速器中,通过将激光照射到金属光电阴极上来产生电子,金属光电阴极将电子从金属中踢出。然后,这些电子在金属腔内加速,在那里它们从射频场吸收越来越多的能量,从而产生高能电子束。在X射线激光器中,例如SLAC的Linac相干光源(LCLS),光束驱动产生极其明亮的X射线光。

但是,在击穿之前,金属腔只能在给定距离或加速度梯度上支持有限的能量增益,因此高能束的加速器变得非常大且昂贵。近年来,SLAC和其他地方的科学家们一直在研究如何使加速器更加紧凑。例如,他们证明了它们可以用等离子体取代金属腔,从而允许更高的加速度梯度,可能将未来加速器的长度缩短100到1000倍。

新论文将等离子体概念扩展到加速器的电子源。

“我们之前已经证明等离子体加速可以非常强大和高效,但是我们还没有能够生产出足够高质量的光束用于未来的应用,”SLAC的共同作者Mark Hogan说。 “提高光束质量是未来几年的首要任务,开发新型电子源是其中的重要组成部分。”

根据Hidding及其同事先前的计算,特洛伊木马技术可以使电子束比现在最强大的光束亮100至10,000倍。更明亮的电子束也将使未来的X射线激光器更加明亮,并进一步增强其科学能力。

“如果我们能够结合两个主要的推力 - 等离子体中的高加速度梯度和等离子体中的光束产生 - 我们就能够制造X射线激光器,在几米而不是几千米的距离上展现相同的功率, “共同作者詹姆斯罗森兹威格说,他是洛杉矶加利福尼亚大学特洛伊木马项目的首席研究员。

产生优质电子束

研究人员在SLAC的高级加速器实验测试设施(FACET)上进行了他们的实验。该设施目前正在进行重大升级,产生高能电子脉冲,用于研究下一代加速器技术,包括等离子体加速。

首先,该团队将激光闪烁成氢气和氦气的混合物。光有足够的能量将电子从氢中剥离,将中性氢转化为等离子体。然而,用氦气来做同样的动力并不足够,它的电子比氢的电子束缚得更紧密,所以它在等离子体中保持中性。

然后,科学家们通过等离子体发送了一个FACET的电子束,在那里它产生了等离子体唤醒,就像摩托艇在水中滑行时产生一个尾迹。落后的电子可以“冲浪”尾流并获得巨大的能量。

更多的研发工作

但在紧凑型X射线激光器等应用成为现实之前,还需要做更多的研究。

接下来,研究人员希望提高光束的质量和稳定性,并开展更好的诊断工作,以便测量实际光束亮度,而不是估算光束亮度。

这些发展将在FACET升级FACET-II完成后完成。 “该实验依赖于使用强电子束产生等离子体唤醒的能力,”SLAC FACET部门主管Vitaly Yakimenko说。 “FACET-II将是世界上唯一能够产生足够强度和能量的光束的地方。”

在这项研究中,拖尾电子来自等离子体(见上面的动画和下面的电影)。就在电子束及其尾流经过的时候,研究人员用第二个紧密聚焦的激光闪光击中了等离子体中的氦气。这次光脉冲有足够的能量将电子踢出氦原子,然后电子在尾流中加速。

加州大学洛杉矶分校的艾华邓说,电子束之间的同步,以近乎光速的速度冲过等离子体,激光闪光仅持续百分之几十亿分之一秒,这是特别重要和具有挑战性的。主要作者:“如果闪光太早,它产生的电子会干扰等离子体唤醒的形成。如果来得太晚,等离子唤醒就会继续,电子也不会加速。”

研究人员估计,用特洛伊木马方法获得的电子束的亮度已经可以与现有的最先进电子源的亮度竞争。

“使我们的技术变革的原因在于电子产生的方式,”在研究期间在德国汉堡大学的另一位主要作者奥利弗·卡格尔说。当电子从氦气中剥离时,它们在向前方向上快速加速,这使光束成束狭窄,并且是更亮光束的先决条件。

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