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电子源的未来方向:激光技术成重点

导读: 近日,美国能源部科学办公室发布报告《电子源的未来》,指出了未来X射线自由电子激光(XFEL)、超快电子衍射(UED)和超快电子显微镜(UEM)的电子源需求和研发机遇。

近日,美国能源部科学办公室发布报告《电子源的未来》,指出了未来X射线自由电子激光(XFEL)、超快电子衍射(UED)和超快电子显微镜(UEM)的电子源需求和研发机遇。

下一代仪器的开发,从硬X射线自由电子激光到超快电子散射仪器,将强烈依赖于电子源的突破性进展。2016年9月8日到9日,基础能源科学(BES)办公室在斯坦福直线加速器中心(SLAC)国家加速器实验室举办了未来电子源研讨会,旨在确定未来XFEL、UED和UEM的电子源需求和未来的研发机遇,来自美国国家实验室、学术界和国际机构的60多名专家参加了研讨会。《电子源的未来》报告是该研讨会的总结。

报告指出,电子源的所有主要技术领域的进步需要满足未来的X射线和电子散射仪器的需求,纳米技术和通过设计制出的材料在改变光电阴极方面具有很大的前景,枪技术需要取得更好的进展以保持初始束流的亮度。报告确定了4个优先研究方向。

1、高亮度束流的下一代阴极研发。高亮度束流的两个关键因素是发射时的纵向和横向能量,它们可通过多种方式实现减少10倍以上,包括材料工程、冷却阴极基板和激光波长调谐。在真正的枪环境中对先进光电阴极进行测试,对将这项研究转化为电子束质量的直接改进至关重要。此外,探索使用纳米和微米光电发射器,可大大提高束流相干性。从头计算阴极设计可以实现具有定制特性的光电阴极,从而使高亮度束流获得新应用。

2、研发连续波注入器以大幅增加阴极加速梯度和输出束流能量。连续波注入器需要在阴极加速梯度和电子束能量上都提高两倍以上,以产生和保持XFEL和单发UEM所需的高亮度电子束。要解决这些挑战性的需求,需要在铜材料和射频超导连续波注入器技术上取得重大进展。应该进行从头到尾的模拟计算来缩小技术选择。

3、下一代电子源的高梯度研发。脉冲电子枪的特征是具有非常高的初始加速梯度(100兆伏/米量级),相对低的重复率(约200赫兹)和平均束电流。新型结构和材料的进展有望实现两倍以上的源电场,并记录高峰值亮度。

4、先进加速器和束流调控概念的研发。建议开发基于先进加速器概念(如激光或束等离子体尾场或太赫兹波)的电子枪,因为它们可能会实现吉伏/米量级的注入场。先进相空间束流调控方案的应用可以将XFEL的技术风险和成本降低一个数量级以上。

除了上述的优先研究方向之外,还应该研究束流诊断、束流动力学和激光技术。电子源及相关技术的进展将使新型仪器和设备得以实现,从而能在基础的时空尺度上对物质进行研究,再次引发X射线和电子散射科学的革命。

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