科学家驯服电子束，用“甜甜圈激光”产生更亮的X射线束

2020-04-27 10:10

为了提高电子束的质量，激光加热器沿着红外线激光束的路径来回摇动。通过挖空光束，研发团队发现他们可以生产出更高质量和更稳定的束。

图片来源：Greg Stewart ／ SLAC国家加速器实验室

新的研究表明，当一束电子在环形激光束的中间放大时，该束电子可以以更高的质量缠绕并产生更亮的X射线束。

来自能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员，本月初在《物理评论快报》上发表了他们的研究结果。该团队提出了一种改善电子束并产生更明亮的X射线束的方法：在其上放一个环。在SLAC的直线加速器相干光源（LCLS）等X射线自由电子激光器上，科学家将电子束压缩和加速到接近光速，然后通过一系列磁铁来回摆动它们以产生X射线。然后，这些X射线用于研究生物学，化学和材料样品，使科学家能够创建有关其分子结构如何运动的高分辨率图像。

研究人员发现，当这些电子束长而光滑时（如美式橄榄球），它们最稳定，可以产生波长更均匀的更明亮的X射线，并可以提供更高分辨率的图像。但SLAC科学家兼首席研究员塞尔吉奥·卡尔巴霍（Sergio Carbajo）也说，由于电子在真空中产生时会相互排斥，因此束最终会变得更短且变幻莫测，就像“放气的足球被尖峰覆盖”。

“足球膨胀”

为了解决这个问题，科学家使用了一种称为激光加热器的设备，该技术在SLAC上由合著者Huang Zhirong Huang和Daniel Ratner进行了长期研究。激光加热器沿着红外激光束的路径来回摇动电子束，从而使科学家可以制造更长，形状更好的束。Carbajo说，这一过程将能量注入到束中，“尽早引入一些混乱，以防止生产线进一步陷入混乱。”他说：“我们的想法是，如果我们不做任何事情来使足球的尖峰膨胀并使其平滑，然后再将其送入线性加速器，不完美之处就会放大，光束质量也会恶化，”。“但是，如果我们在一开始就＇加热＇电子并改变其能量分布，我们可以定制其形状以在到达加速器末端时改善其质量。”

“甜甜圈激光”

在这项新的研究中，研究小组通过将激光束挖空成环形的“甜甜圈激光器”，对该设备进行了改进。这项新的电子整形技术可改善不均匀性并产生更稳定的束，因为它会根据电子与环中心的接近程度来不同地摇动电子，最终结果是形状完美的足球适合在任何亚原子的超级碗中飞行。“这种技术提高了电子束的整体质量，” Carbajo说。“它提供了对电子束形状的精确控制，因此在放大依赖于电子束的科学仪器（例如存储环，线性加速器和光源）的性能方面具有开创性的意义。”