研究人员展示了使用金属箔作为 3D 扫描仪的激光等离子加速器新诊断工具

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激光等离子体加速器比传统设备占用的空间更小，传统设备有时长达数公里。这种紧凑的粒子源可以高效加速电子束，使 X 射线激光器可以安装在大学研究所的地下室中。
但仍有几个挑战需要解决：为了产生紫外线或X射线，激光等离子加速器产生的电子束必须非常精细地捆绑在一起并具有明确的特性。
到目前为止，甚至很难精确测量这些粒子束。现在，亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫中心 (HZDR) 的一个团队开发了一种新颖的测量方法，该方法将有助于推动激光等离子体加速的发展。
在激光等离子体加速中，激光向气体中发射强光脉冲。脉冲强度如此之强，以至于气体被电离并产生等离子体——电子和离子的混合物。当激光脉冲迫使较轻的电子比较重的离子更快地离开时，在其后面会形成一个带正电的“气泡”。如果将一些电子注入这个气泡中，电磁场的强度几乎可以将它们弹射出去。
这个过程只需要几厘米，但可以加速成束的电子，其速度与传统的几十甚至几百米的装置一样，并使用无线电波来移动粒子。
自由电子激光器( FEL) 是最先进的激光等离子体加速器的一个有趣应用。在这里，电子束以接近光速的速度穿过所谓的波荡器。这组磁铁迫使粒子进入障碍路径，使它们发出强烈的类似激光的 X 射线或紫外线闪光，这些闪光可用于追踪极快的过程，例如在千万亿分之一秒内发生的化学反应。
紧凑且经济高效
目前已有数台此类研究机器，包括位于汉堡的欧洲 XFEL。它们基于传统的直线加速器，其中一些直线加速器长达数公里。但到目前为止，这些设备非常稀少，因此可用的光束时间有限。如果 FEL 能够基于激光等离子体加速器建造，那么这些设备可以非常紧凑且经济高效地建造，例如，大学研究所也能够负担得起。因此，这项技术将可供比现在更多的研究团队使用。
目前已经取得了初步成功：自 2021 年以来，三个研究小组已经成功证明可以实现基于等离子体加速器的 FEL，这三个小组分别是中国上海的团队、罗马附近弗拉斯卡蒂的团队以及与 HZDR 辐射物理研究所的物理学家 Arie Irman 博士合作的团队。
在《自然光子学》杂志的一篇评论文章中，参与者总结了当前的发展状况并列出了尚未解决的研究问题。
“除其他事项外，我们必须提高加速电子束的质量和稳定性，并尽量减少电子束内电子能量的分布，”论文作者之一伊尔曼解释说。“但开发新的诊断方法也很重要，以便更精确地研究激光等离子加速器中的过程。”
电子束穿过箔
这就是新的 HZDR 项目的意义所在：Irman 团队的博士后 Maxwell LaBerge 博士开发了一种测量程序，使科学家能够详细分析长度仅为几微米的极短电子束。该论文发表在《自然光子学》杂志上。
LaBerge 解释道：“我们将电子束以接近光速的速度从等离子加速器发射到薄金属箔上。这会使箔片表面的电子运动起来。”
因此，这些电子发出信号——就像发射天线一样——可以被传感器检测到。“利用这个信号，我们可以精确地重建穿过箔片的电子束的样子，”拉伯格在描述这一过程时说道，这一过程的专业术语是相干光跃迁辐射 (COTR)。
HZDR 的专家们利用他们的新测量方法探索了将电子注入等离子体气泡的不同方法。Irman 表示：“我们已经能够确定不同的注入方法会产生完全不同形式的电子束，这表明新方法可以帮助更精确地控制电子束的形式和结构。”
对快速电子束的控制越好，它们在 FEL 中产生的光就越亮、越稳定。