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透析中欧美X射线自由电子激光发展状况

  美国政府顾问小组近日提议,美国需要建造一种能够将电子在材料反应和化学反应中的活动轨迹成像的新型X射线激光器

  能源部下属的基础能源科学咨询委员会(BESAC)已经驳回了提交的关于未来X射线光源的4份提案,取而代之的是一个更具雄心的计划。BESAC表示,如果各方面力量能够齐心协力,该方案是完全可以实现的。

  麻省理工学院加速器物理学家、曾在BESAC研究该课题的William Barletta认为:委员会所期望的机器将会是一种“自由电子激光器”,可以利用磁力来扭动电子光束,从而发射出连续的X射线。至于这种新型激光器的规格,委员会建议它应能提供快速的X射线脉冲重复率以及较广的X射线光子能量范围。

  这一想法与美国劳伦斯伯克利国家实验室的一项提案不谋而合。劳伦斯伯克利国家实验室提议,“下一代光源”(NGLS)这种自由电子激光器使用一种受超导磁体加速的电子光束。该提案已通过能源部审核,但还须经过国会的详细审查。

  但是NGLS所能提供的能量范围还未达到顾问小组的期望,而与斯坦福线性加速器中心的相应提案范围相吻合。该中心提议对线性相干光源(LCLS)系统进行升级这是一种已投入运行的自由电子激光器。

  Barletta说,顾问小组认为,无论是NGLS项目还是待升级的LCLS项目都各有优点和缺点,两个实验室需要通力协作,寻求共识,取人之长,补己之短。

  该顾问小组也听取了支持“终极储存环”的声音。终极储存环已经在一些美国的国家实验室中使用,其功能与X射线同步加速器相似,能够发射连续的X射线,并且可以循环利用光束,以达到节能效果。

  Barletta认为研究终极储存环提案最关键的一点是:能源部应当仔细评估并认真审查升级已有同步加速器的方案,以确认将经费花在建造新型终极储存环上是否更值得。另外,瑞典、巴西、日本等国家正在建造比美国更先进的同步加速器。

  自由电子激光器的工作原理

  自由电子激光器是加速器和激光技术的组合。其主要技术组成是电子加速器、磁摆动器(大多数自由电子激光器的研究都采用静磁摆动器)、光子光学系统和各种监测、控制系统。

  自由电子激光器采用的是射频直线加速器、电子储存环、静电加速器、感应直线加速器等脉冲装置。从加速器引出的高能电子束相当于激光工作物质, 因而电子束质量的好坏直接影响着整个激光器性能。相对论电子束从激光共振腔的一端注入经过摆动器时, 受到空间周期性变化的横向静磁场作用。磁场由一组“摆动器”或“波荡器”的磁铁产生。磁铁以交替极性方式布置, 磁场为螺旋式或平面式。在该磁场作用下, 电子束在磁摆动器中一边前进, 一边有横向摆动。例如, 周期性磁场在水平面内, 电子则周期性地上下摆动。电子的横向及运动方向的改变, 表明电子有加速度。根据电磁辐射理论, 电子有加速就必然会辐射电磁波。这种带电粒子沿弯曲轨道运动而辐射电磁波, 被称为同步辐射。同步辐射有一个比较宽的频率辐射范围, 但缺乏单色性和相干性。这种自发辐射一般不很强, 峰值电流100A, 脉宽几皮秒的50M ev能量电子束在典型摆动器中将产生1W 量级峰值自发辐射功率。

  在磁场的作用下, 电子受到一个作用力而偏离直线轨道, 并产生周期性聚合和发散作用。这相当于一个电偶极子, 在满足共振关系的情况下电子的横向振荡与散射光场相互耦合, 产生了作用在电子上的纵向周期力——有质动力。在有质动力的作用下, 电子束的纵向密度分布受到调制。于是, 电子束被捕获和轴向群聚。这种群聚后的电子束与腔内光场(辐射场)进一步相互作用, 会产生受激散射光, 使光场能量增加, 得到具有相干性的激光。这是通过自发辐射光子和电子相互作用的反馈机制, 把自发辐射转换成窄带相干辐射。而且此辐射电磁波在电子运动的方向上强度最大。因此, 摆动器促成了自由电子激光器中电子和光子间的相互作用。在电子通过摆动器后, 利用弯曲磁铁把电子和光分离。

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