2022-08-28 14:10

科学家用“甜甜圈激光器”驯服电子束,产生更明亮的x射线束

Laser Heaters Infrared Beam

为了提高电子束的质量,激光加热器会在电子束沿着红外激光束的路径前后摇动电子束。通过将光束掏空,研究小组发现,他们可以生产出质量更高、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,当一束电子穿过环形激光束的中间时,这束电子最终会以更高的质量产生更明亮的x射线。

一组科学家提出了一种改善电子束并产生更明亮x射线的方法:给它们戴上一个环。这个团队包括来自能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员,他们在本月早些时候的《物理评论快报》上发表了他们的研究结果。

在x射线自由电子激光器中,比如SLAC的直线相干光源(LCLS),科学家们将电子束压缩并加速到接近光速,然后通过一系列磁铁来回摆动来产生x射线。然后,这些x射线被用于研究生物、化学和材料样本,使科学家能够创建分子结构如何移动的高分辨率图像。

研究人员发现,这些电子束长而光滑时最稳定,就像美式足球一样,产生波长更均匀、更明亮的x射线,并允许获得更高分辨率的图像。但是,由于电子在真空中产生时互相排斥,这些束最终变得更短,而且不可预测地不均匀,“就像一个被尖刺覆盖的瘪了的足球,”SLAC的科学家兼首席研究员塞尔吉奥·卡巴乔说。

膨胀的足球

为了解决这个问题,科学家们使用了一种名为激光加热器的设备,该技术的合著者黄志荣(Zhirong Huang)和丹尼尔·拉特纳(Daniel Ratner)长期在SLAC研究。激光加热器沿着红外激光束的路径来回摇动电子束,使科学家能够创造出更长的、形状更好的电子束。这个过程为这些串注入了能量,“在早期引入一些混乱,以防止后续出现更多混乱,”卡巴乔说。

他说:“我们的想法是,如果在将足球送入直线加速器之前,我们不做任何事情来膨胀和平滑足球的尖刺,缺陷将会放大,光束的质量将会下降。”“但如果我们一开始就‘加热’电子,改变它的能量分布,我们就可以调整它的形状,在它到达加速器末端时提高它的质量。”

“做螺母激光的

在这项新研究中,研究小组改进了这个设备,将激光束掏空,变成了一个环形的“甜甜圈激光器”。这种新的电子成形技术改善了不均匀性,并产生了一个更稳定的束,因为它根据电子离环中心的距离不同而不同地震动电子。最终的结果是一个形状完美的足球,适合在任何亚原子超级碗中飞行。

“这项技术提高了电子束的整体质量,”卡巴乔说。“它提供了对电子束形状的精确控制,因此它可以对依赖电子束的科学仪器的性能放大产生重大影响,如存储环、线性加速器和光源。”

LCLS是美国能源部科学办公室的用户设施。来自斯坦福大学的研究生Jingyi Tang和来自科罗拉多矿业学院的Randy Lemons分别在分析数据和在实验室中产生甜甜圈激光束方面发挥了关键作用。这项研究得到了科学办公室和SLAC实验室指导研究与发展项目的部分支持。