研究人員展示如何利用晶體腔和鉆石鏡面提高 X 射線激光的亮度和功率

這是一個(gè)基于空腔的 X 射線自由電子激光器的圖示。電子束（藍(lán)色）穿過一個(gè)減壓器（棕色和白色）。在減壓器內(nèi)部，電子束釋放出 X 射線脈沖（橙色）。這些脈沖在一組四面鏡子中反彈，直到從非相干 X 射線轉(zhuǎn)變?yōu)橄喔?X 射線（黃色）。然后，相干 X 射線利用研究團(tuán)隊(duì)的 Q 開關(guān)技術(shù)離開空腔鏡系統(tǒng)，繼續(xù)沿著加速器向?qū)嶒?yàn)大廳內(nèi)的科學(xué)家們照射。圖片來源：Greg Stewart/SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室

在世界各地的粒子加速器設(shè)施中，科學(xué)家們依靠強(qiáng)大的 X 射線來揭示原子和分子的結(jié)構(gòu)與行為。現(xiàn)在，來自美國能源部 SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)計(jì)算出如何通過在 XFEL 周圍建造一個(gè)特殊的腔室和鉆石鏡，使 X 射線自由電子激光器（XFEL）的 X 射線脈沖更加明亮可靠。

"我們希望讓我們的 XFEL 更像激光器，"SLAC 和斯坦福大學(xué)光子科學(xué)教授黃志榮說。"幾十年來，我們一直在尋找實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法，通過我們的新計(jì)算，我們證明了這一夢想可以成為現(xiàn)實(shí)。

在XFEL（如SLAC的里納相干光源（LCLS））中，單個(gè)X射線脈沖的功率因脈沖而異。其結(jié)果是時(shí)間上不連貫的光線--不類似激光的激光--科學(xué)家更難利用它們來完成實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗鼈兊目深A(yù)測性較低。

在本月發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上的一項(xiàng)新研究中，研究人員展示了如何利用復(fù)雜的晶體腔體和反射鏡系統(tǒng)產(chǎn)生相干的 X 射線脈沖，而且不需要超長、超復(fù)雜的腔體。

"產(chǎn)生相干、更高亮度 X 射線的動(dòng)機(jī)是研究現(xiàn)實(shí)世界中的材料，以及這些材料在不同條件下會(huì)發(fā)生什么變化，"SLAC 科學(xué)家、論文共同作者唐靜怡說。"我們希望研究更動(dòng)態(tài)、更難捕捉的系統(tǒng)"。

利用反射鏡儲(chǔ)存光線

用鏡子捕捉 X 射線的想法乍看起來似乎不可能。但在像 LCLS-II 這樣的高重復(fù)率加速器中，只要有合適的存儲(chǔ)設(shè)備和豐富的想象力，這樣的想法就有可能實(shí)現(xiàn)。

研究人員研究了一種被稱為腔基 X 射線自由電子激光器（CBXFEL）的設(shè)備。在這種設(shè)計(jì)中，一個(gè)可能長達(dá)數(shù)百米甚至超過一千米的空腔結(jié)構(gòu)會(huì)捕獲在加速器設(shè)施（如 SLAC）中產(chǎn)生的非相干 X 射線脈沖。

在空腔內(nèi)部，X 射線從四個(gè)鉆石鏡面上反彈，這些鏡面以矩形圈的方式發(fā)送 X 射線脈沖。當(dāng)脈沖在空腔內(nèi)運(yùn)行時(shí)，加速器內(nèi)的下一個(gè)電子束就會(huì)朝它們移動(dòng)。當(dāng)電子束到達(dá)時(shí)，反彈的 X 射線脈沖與電子束相互作用，將其收緊并組織起來。當(dāng)電子束在一個(gè)名為 "調(diào)節(jié)器 "的裝置中擺動(dòng)時(shí)，這個(gè)更緊密的電子束將在加速器的更遠(yuǎn)處產(chǎn)生更連貫、更明亮的 X 射線。

在他們進(jìn)行新的計(jì)算之前，研究人員認(rèn)為，要在X射線脈沖在腔體中跳動(dòng)時(shí)保持其功率，可能需要間隔緊密的電子束或一公里長的腔體，這使得這一想法更難實(shí)現(xiàn)。

"我們的研究表明，一個(gè)高質(zhì)量的空腔系統(tǒng)可能只需要100-300米長，即使是以較慢的重復(fù)率運(yùn)行的強(qiáng)大XFEL，這意味著電子束之間的空間更大，"SLAC科學(xué)家和合著者張震說。

控制空腔損耗

這種新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于控制研究人員所說的空腔品質(zhì)因數(shù) Q。Q 值越高，意味著反射率越高，從而使 X 射線功率在腔體內(nèi)再循環(huán)時(shí)幾乎沒有損耗。Q 值越低，反射率越低，這意味著大量 X 射線會(huì)離開腔體，并向加速器下方傳輸。

當(dāng) X 射線在一個(gè)較短的空腔中再循環(huán)而不與電子束發(fā)生任何作用時(shí)，Q 值會(huì)保持在很高的水平。當(dāng)這些 X 射線與進(jìn)入的電子束相互作用時(shí)，研究人員可以精確控制放大的 X 射線波長和光譜，從而改變空腔的 Q 值，這就是所謂的 Q 值切換。這意味著，當(dāng) X 射線具有足夠高的功率時(shí)，也就是當(dāng) X 射線準(zhǔn)備離開腔體并沿著加速器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們可以降低 Q 值。

通過控制 Q 值，研究人員可以讓相干 X 射線脈沖在腔體和反射鏡系統(tǒng)中循環(huán)多次?，F(xiàn)在，相干 X 射線脈沖在系統(tǒng)中循環(huán)的能力幾乎沒有損失，這使得脈沖有更多的時(shí)間來積累功率，從而縮短了所需的腔體長度，產(chǎn)生了高輸出功率的 X 射線。

未來一年，SLAC 的科學(xué)家和工程師將與阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和其他機(jī)構(gòu)合作，在 SLAC 的 LCLS 上建造一個(gè)測試腔。實(shí)驗(yàn)的最初目標(biāo)是證明 X 射線在腔體中再循環(huán)后功率的增加，并觀察腔體的性能。研究人員說，在達(dá)到實(shí)驗(yàn)的最初目標(biāo)后，還可以在這樣的 CBXFEL 系統(tǒng)上測試 Q 開關(guān)。

參考資料

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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