X 射線自由電子激光器 (XFEL) 用于創造極端物質條件，使材料科學、熱致密物質研究和藥物開發等領域的基礎研究成為可能。目前，這種激光器是龐然大物，需要耗資數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備可能預示著下一代超緊湊 XFEL 的出現。
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’內以正弦路徑擺動，由于擺動運動，電子束發出光子爆發，正反饋效應將電子束構造成輻射波長的微束。
這種聚束的結果是輻射功率沿著波蕩器呈指數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量時才會發生。如今，使用直線加速器 (linacs) 可以實現如此高的光束質量，這使得 XFEL 長達數公里。
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）內產生這種數千兆電子伏 (GeV) 的光束，光束質量接近 XFEL 所需的光束質量。Habib 及其同事現已表明，來自等離子體光電陰極的電子束可能比直線加速器中產生的電子束要亮得多，并且可以在 PWFA 中產生。
韋克菲爾德加速器通過將密集的帶電粒子束（如電子）發射到靜止的等離子體（本質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，從而產生短的尾隨等離子體波。與這種等離子波相關的電場會加速尾流中的帶電粒子，這就是術語尾場的來源。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——在幾厘米的距離內達到 GeV 的動能。然而，光束質量遠達不到 XFEL 的要求
由 Habib 及其同事開發的先進 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，它可以產生比直線加速器亮度高 100,000 倍的電子束。
整個系統只有幾米大小
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，超高質量的電子束在飛行中產生強大的埃波長的相干光子脈沖，脈沖持續時間在阿秒級，令人驚喜的是，與最先進的千米級 XFEL 機器相比，整個系統的尺寸只有幾米。
結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發展成為大學級實驗室甚至醫院的標準工具。
PWFA 中等離子體光電陰極注入的第一個實驗證據是與他們的戰略合作伙伴斯坦福 SLAC FACET 設施的特洛伊木馬合作中獲得的。現在，通過他們在后續設施SLAC FACET-II的計劃，他們的目標是在光束質量和穩定性方面開發該計劃的真正潛力。
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