研究人員展示了使用金屬箔作為3D掃描儀的激光等離子加速器新診斷工具

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，電磁場的強(qiáng)度實(shí)際上可以將它們彈射出去。

這個(gè)過程只需要幾厘米，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，并使用無線電波來移動(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程，例如在千萬億分之一秒內(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，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。“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程。”

電子束穿過箔

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)了一種測量程序，使科學(xué)家能夠詳細(xì)分析長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。”

因此，這些電子發(fā)出信號(hào)——就像發(fā)射天線一樣——可以被傳感器檢測到。“利用這個(gè)信號(hào)，我們可以精確地重建穿過箔片的電子束的樣子，”拉伯格在描述這一過程時(shí)說道，這一過程的專業(yè)術(shù)語是相干光躍遷輻射(COTR)。

HZDR的專家們利用他們的新測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)。”

對快速電子束的控制越好，它們在FEL中產(chǎn)生的光就越亮、越穩(wěn)定。

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