X 射線自由電子激光器 (XFEL) 用于創(chuàng)造極端物質(zhì)條件，使材料科學、熱致密物質(zhì)研究和藥物開發(fā)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究成為可能。目前，這種激光器是龐然大物，需要耗資數(shù)十億美元的千米級裝置。英國斯特拉斯克萊德大學的研究人員現(xiàn)在提出了基于等離子體尾場加速器 (PWFA) 的小型化 XFEL 的新藍圖。這種只有幾米大小的設(shè)備可能預示著下一代超緊湊 XFEL 的出現(xiàn)。

首席研究員Fahim Habib解釋道：FEL 包含相對論電子束，在具有交變磁場的‘波蕩器’內(nèi)以正弦路徑擺動，由于擺動運動，電子束發(fā)出光子爆發(fā)，正反饋效應將電子束構(gòu)造成輻射波長的微束。

這種聚束的結(jié)果是輻射功率沿著波蕩器呈指數(shù)增長并變得高度相干。然而，這種自組織效應只有在電子束在相對論能量下具有高質(zhì)量時才會發(fā)生。如今，使用直線加速器 (linacs) 可以實現(xiàn)如此高的光束質(zhì)量，這使得 XFEL 長達數(shù)公里。

基于等離子體的加速器

基于等離子體的加速器可以在更短的距離（僅幾厘米）內(nèi)產(chǎn)生這種數(shù)千兆電子伏 (GeV) 的光束，光束質(zhì)量接近 XFEL 所需的光束質(zhì)量。Habib 及其同事現(xiàn)已表明，來自等離子體光電陰極的電子束可能比直線加速器中產(chǎn)生的電子束要亮得多，并且可以在 PWFA 中產(chǎn)生。

韋克菲爾德加速器通過將密集的帶電粒子束（如電子）發(fā)射到靜止的等離子體（本質(zhì)上是電離粒子的氣體）中來運行。電子束將負電荷（電子）與目標中靜止的背景離子分開，從而產(chǎn)生短的尾隨等離子體波。與這種等離子波相關(guān)的電場會加速尾流中的帶電粒子，這就是術(shù)語尾場的來源。如果尾隨的帶電粒子束的時間安排得當，它可以沖浪并急劇加速——在幾厘米的距離內(nèi)達到 GeV 的動能。然而，光束質(zhì)量遠達不到 XFEL 的要求

由 Habib 及其同事開發(fā)的先進 PWFA 配備了一種稱為等離子體光電陰極（又名“特洛伊木馬”）的新型電子注入方法，由于電子束的低動量擴散分布，它可以產(chǎn)生比直線加速器亮度高 100,000 倍的電子束。

整個系統(tǒng)只有幾米大小

在他們的工作中，研究人員研究了如何在不損失電荷和質(zhì)量的情況下提取、傳輸、隔離來自等離子體光電陰極 PWFA 的超高亮度電子束并將其注入波蕩器。聚焦到一個波蕩器中，超高質(zhì)量的電子束在飛行中產(chǎn)生強大的埃波長的相干光子脈沖，脈沖持續(xù)時間在阿秒級，令人驚喜的是，與最先進的千米級 XFEL 機器相比，整個系統(tǒng)的尺寸只有幾米。

結(jié)果是邁向下一代超緊湊 XFEL 的第一個里程碑。研究人員的愿景是將這項技術(shù)發(fā)展成為大學級實驗室甚至醫(yī)院的標準工具。

PWFA 中等離子體光電陰極注入的第一個實驗證據(jù)是與他們的戰(zhàn)略合作伙伴斯坦福 SLAC FACET 設(shè)施的特洛伊木馬合作中獲得的?，F(xiàn)在，通過他們在后續(xù)設(shè)施SLAC FACET-II的計劃，他們的目標是在光束質(zhì)量和穩(wěn)定性方面開發(fā)該計劃的真正潛力。