斯特拉斯克莱德大学在研究中模拟的冰冷电子束可以为将X 射线自由电子激光器 (X-FEL) 缩小到当前尺寸的一小部分铺平道路。
X-FEL 将电子束的动能转化为强大的光子脉冲，低至硬 X 射线波长，通常被称为“发现引擎”。X-FEL 用于为热致密物质研究创造极端物质条件，研究下一代微芯片材料的特性，解析新药物的复杂生物分子结构，以及许多其他应用。
FEL 的核心是电子束在设备内部的路径上摆动，该设备被称为波荡器，具有交变磁场。作为摆动运动的结果，电子束发射光子爆发，正反馈效应将电子束构造成辐射波长的微束。因此，辐射功率沿着波荡器呈指数增长，并变得高度相干。
这种自组织效应只有在电子束在相对论能量下具有高质量时才会发生。然而，为了满足严格的电子束质量要求，最先进的 X-FEL 是千米级的微调机器，耗资高达 10 亿英镑。因此，全世界只有少数 X-FEL 设施存在，到目前为止英国还没有。
斯特拉斯克莱德大学的研究表明，通过高保真度的自始至终模拟，等离子体韦克场加速器 (PWFA) 配备了称为等离子体光电阴极的“特洛伊木马”先进电子注入方法，可以产生比状态亮度高 100,000 倍的电子束。最先进的。这是因为低动量分布，产生极冷的电子束。
PWFA还具有加速电场，其容量为每米数十至数百千兆伏特，与传统加速器的公里级相比，可以实现厘米级加速器。
该研究探索了如何在不损失电荷和质量的情况下，将来自等离子体光电阴极 PWFA 的超高亮度、冰冷电子束提取、传输、隔离和注入波荡器;它们保持低温并且不会“融化”。聚焦到波荡器中，超高质量电子束产生强大的相干、类似激光的光子脉冲，脉冲持续时间在阿秒范围内(1×10−18 秒)。除了电子的极端质量和由此产生的光子脉冲之外，与最先进的千米大小的 X-FEL 机器相比，整个系统的空间足迹可能只有几十米。
从事这项研究的科学家们认为，这项研究中实现的三个里程碑可能是通向下一代超紧凑 X-FEL 的门户。该研究已发表在《自然通讯》杂志上，是英国全国 X-FEL项目的一部分。
斯特拉斯克莱德大学物理系助理研究员、该研究的主要博士后研究员 Fahim Habib 表示：“基于该方案的超紧凑型等离子体 X-FEL 的前景令人难以置信。我们的结果是重要的第一个里程碑，但在实验实现该方法方面，我们还有很多工作要做。”
领导该项目的斯特拉斯克莱德大学的 Bernhard Hidding 教授说：“PWFA 中等离子体光电阴极注入的第一个实验证据是在我们的战略合作伙伴斯坦福 SLAC FACET 设施的特洛伊木马合作中获得的。现在，通过我们在后续设施 SLAC FACET-II 的计划，我们的目标是在光束质量和稳定性方面开发该计划的真正潜力。”
物理系读者 Brian McNeil 博士说：“亮度是自由电子激光的关键性能参数。如果可以从等离子体中实现像我们的计算研究中显示的那样明亮和短的电子束，这可能会对光子科学产生巨大影响。”
Hidding 教授从事一个由欧洲研究委员会资助的平行项目，名为NeXource：用于高亮度光子科学的下一代基于等离子体的电子束源。
麦克尼尔博士于 2022 年被授予国际自由电子激光奖，以表彰他对该领域的杰出贡献。
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