研究人員借鑒了“特洛伊木馬”的策略。

研究人員如何從最基本的層面探索大自然？在“超級顯微鏡”的幫助下，他們得以分辨原子和亞原子的細節。然而，這在可見光下是行不通的。因此，研究人員使用電子束來探測物質的最小維度信息。電子束的應用涉及粒子對撞機或X射線激光器，而這些儀器的核心是粒子加速器：它們首先在“源”處產生電子，然后在一系列加速器腔中提高它們的能量。

網站8月13日報道，美國能源部斯坦福線性加速器中心（SLAC）等機構的研究人員，在《自然·物理學》雜志中展示了一種基于等離子體的、可用于更緊湊、更強大的粒子加速器的高亮電子源。該方法與“特洛伊木馬”很相似：古希臘士兵（電子）隱藏于木馬（等離子體）中，被帶入特洛伊城（加速器）。蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學的研究人員、論文作者Bernhard Hidding說：“我們的實驗首次證實了‘特洛伊木馬’方法的有效性。這可能是未來電子源領域最具前途的方法之一，它可能會突破當今技術的局限?！?/p>

在目前使用的最先進的加速器中，電子是通過激光照射金屬光電陰極而產生的。電子在金屬腔內加速，從射頻場中持續吸收能量，進而形成高能電子束。在X射線激光器中，如SLAC的線性相干光源（LCLS），光束驅動可產生極其明亮的X射線。然而，在一定距離內，金屬腔只能支持有限的能量增益或加速梯度。因此，高能光束加速器變得非常巨大和昂貴。近年來，包括SLAC在內的許多地方的科學家們一直在嘗試尋找讓加速器“緊湊化”的方法?！疤芈逡聊抉R”項目將等離子體的概念擴展到了加速器的電子源。SLCA研究人員、論文作者Mark Hogan說：“此前，我們已經證實等離子體加速非常強大和高效，但我們還沒有能力為未來應用提供高質量的光束。改善光束質量成為未來幾年的首要任務，而開發新型電子源則是其中最重要的部分之一?！?/p>

Hidding及其同事的計算結果顯示，特洛伊木馬技術最高可以使電子束的亮度提高上萬倍。電子束亮度的提升將使未來的X射線激光器更加明亮，并進一步增強它們的科學性能。研究人員James Rosenzweig說：“如果我們能夠將等離子體高加速度梯度和等離子體電子束進行結合，那么制造高強度X射線激光的距離將縮短到幾米?！?/p>

研究人員們在SLAC的先進加速器實驗測試設施（FACET）中進行了他們的實驗。該設施正在進行重大升級，以產生高能電子脈沖，用于下一代加速器技術（包括等離子體加速）。首先，研究人員將激光射向氫氣和氦氣組成的混合氣體。激光有足夠的能量從氫中剝離電子，使其變成等離子體。但激光的能量不足以影響氦氣，因此氦在等離子體中繼續保持中性。隨后，科學家們將FACET的電子束發送到等離子體中，形成等離子體尾流。尾隨電子可以在尾流中獲取巨大的能量。當電子束及其尾流經過等離子體時，研究人員用第二束高聚焦激光照射等離子體中的氦，此次的光脈沖有足夠的能量將電子“踢出”氦原子，然后在尾流中加速。電子同步等過程的時間非常短，對研究人員來講極具挑戰性。加州大學洛杉磯分校的研究人員、論文作者Aihua Deng說：“如果激光介入太早，產生的電子會干擾等離子體尾流的形成。如果介入太晚，等離子尾流已經通過，電子不會獲得加速效果。”

研究人員預計，由特洛伊木馬方法獲得的電子束的亮度已經可以與現有最先進的電子源產生的電子束亮度媲美。論文作者Oliver Karger解釋說：“我們的技術之所以具有革命性，是因為它產生電子的方式非常獨特。當電子從氦中剝離出來后，它們會正向快速加速。這使得光束被緊緊束縛在一起，而這一束縛效果是形成更明亮光束的先決條件。”

與小型X射線激光器類似，特洛伊木馬方法還需繼續完善。這些工作有望在FACET升級項目完成后進行。SLAC主管Vitaly Yakimenko表示：“特洛伊木馬項目依賴于利用強電子束產生等離子體尾流的能力。FACET-II將是世界上唯一能夠產生高強度、高能量光束的場所?！?/p>

原創編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：唐林芳

期刊來源：《自然·物理學》

期刊編號：1745-2473

原文鏈接：https://www./releases/2019/08/190813144513.htm

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