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【多彩联盟注册登录】粒子在加速器里“快成一道光”是什么体验?

研究人员可以用粒子加速器发出的光来探测物质的结构。一个实验表明了如何将两个这样的光源的特性结合在一起。

数十年来,粒子加速器已经得到广泛应用,使人们对物质的研究越来越细致。带电粒子在加速时会发光,利用这种现象的加速器是目前可用的最明亮的人造光源之一,使科学家能够在前所未有的微小空间和时间尺度上探测物质的性质。邓秀杰等人在《自然》上报导了一个在加速器上进行的概念验证性实验,该实验可以进一步扩展这些设备的功能,并有望应用在称为极紫外线光刻的下一代芯片刻蚀技术和称为角分辨光电子能谱技术的先进成像方法。

基于加速器的光源主要有同步辐射加速器和自由电子激光器这两种类型。同步加速器具有很高的平均功率,并且可以产生具有可调波长和宽带宽的光脉冲。高功率之所以成为可能,是因为成束的粒子环绕圆形机器旋转多次,并在它们每次穿过一系列极性交替的磁铁时产生光。

自由电子激光器的平均功率比同步辐射加速器低,因为它们使用电子束仅一次。然而,与同步辐射加速器产生的光相比,它们产生的光脉冲具有更小的带宽和更高的亮度。在自由电子激光器中,电子发出的辐射会反作用于这些粒子,从而使它们聚集到辐射波长大小的区域。这些“微聚束”电子产生的光波是相干的,并且彼此增强以实现前述超高亮度。

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邓秀杰和同事们的研究结果基于一个称为稳态微聚束的概念,该概念旨在结合大功率同步辐射加速器与低带宽、高亮度自由电子激光器的特性。通过在电子通过波荡器时向电子发射一个激光脉冲,同步辐射加速器中的电子束在发射出辐射光波之前被迫形成微聚束。波荡器使电子横向振荡,激光脉冲使不同的粒子具有不同能量。

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这束改造过的电子束在机器中环绕运行时,高能电子与低能电子相比,在被用来操控粒子的磁场中的偏转更小,使它们向后滑动。到电子完成绕加速器运行一圈时,这种纵向滑移已导致粒子形成微束,其性质类似于用于驱动自由电子激光器的电子。这些微束之间的距离大约是入射激光脉冲的波长。

如前所述,微束电子束的相干发射产生的光脉冲,比通过非相干发射产生光的功率更高。邓秀杰等人在位于柏林的同步加速器处检测了典型电子束产生的辐射光,随后将该辐射光与使用新方法微束化的光束进行了比较。

在使用带通滤波器除去残留的非相干辐射光之后,邓秀杰及同事们检测到了清晰的微束信号,表明发生电子束相干辐射。他们还研究了辐射能量和束电荷的关系,发现该辐射强度与束电荷的平方成正比,作者通过改变束电荷并分析产生的辐射观测到了这种平方关系。

尽管本文代表了在粒子加速器中生成高功率、窄带宽光脉冲的关键步骤,但尚未展示出稳态微聚束。邓秀杰秀林等人表明,绕同步加速器旋转一圈后,微束电子束会产生相干辐射光。下一个挑战是证明绕上许多圈仍可实现该成果。这很难通过实验完成,原因有三:

首先,纵向滑移会在多次旋转中降低微束聚的程度。其次,为了实现大功率的稳态发射,入射激光脉冲必须与电子束在每次旋转中都同步,并被约束在称为激光腔的反射装置中。第三,如果不使用反馈回路控制,束中电子之间的集体相互作用最终将降低辐射的功率和亮度。

最初概念有一些变体方案可改善辐射性质,或能超越邓秀杰秀林等人的研究结果。展现这些方案意味着巨大技术难题,但是作者的概念验证性实验开辟了道路,通往实现高功率、高亮度、窄带宽且性能可能会超过当前同步加速器的光源。此外,其他类型的光源,例如开发中的存储环自由电子激光和能量回收线性加速器,也许会引领下一代加速器的诞生。尽管在这些方案得到可靠证实前还有重重障碍,但作者们的发现为未来高功率加速器光源提供了展望。

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