X射线激光中的电子束整型

为了提高电子束的质量，当在电子束沿着红外激光束的路径运动时，激光加热器来回振动电子束。通过光束整型，研究小组发现它们可以生产出质量更高、更稳定的束。

科学家们想出这一种改进电子束并产生更亮X射线束的方法：在电子束上加一个环。这个团队包括来自能源部斯坦福直线加速器中心和斯坦福大学的研究人员，近期，他们在《物理评论快报Physical Review Letters》杂志上发表了他们的研究成果。

在斯坦福直线加速器中心的相干光源(LCLS)等X射线自由电子激光器中，科学家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以产生X射线。然后，这些X射线被用于研究生物、化学和材料样品，使科学家能够创建其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，能产生波长更均匀、更明亮的X射线，并能产生更高分辨率的图像。但是，由于电子在真空中产生时相互排斥，电子束变得更短，而且不可预测地不均匀，“就像一个被钉子扎到的瘪了气的足球，”斯坦福直线加速器中心的科学家和首席研究员塞尔吉奥·卡巴乔（Sergio Carbajo）说。

使足球膨胀

为了解决这个问题，科学家们使用了一种叫做激光加热器的装置，这项技术早就在斯坦福直线加速器中心由Zhirong Huang和丹尼尔·拉特纳（Daniel Ratner）共同研究过。激光加热器沿着红外激光束的路径来回摇晃电子束，使科学家能够制造出更长、形状更好的束。卡巴乔说，这一过程将能量注入束流，“在早期引入一点混乱，以防止更多的混乱。”。

他说：“我们的想法是，如果在把足球送入直线加速器之前，我们不采取任何措施，使足球的尖刺膨胀和平滑，那么缺陷就会扩大，光束质量就会恶化。但是，如果我们在一开始就“加热”电子并改变其能量分布，我们就可以调整其形状，以便在电子到达加速器末端时提高其质量。”

“甜甜圈激光”

在这项新的研究中，研究小组改进了这一装置，将激光束空化成环形的“环形激光器”。这项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，因为根据电子离环中心的距离，它对电子的震动不同。最终的结果是一个完美的形状足球适合在任何亚原子“超级碗”中飞行。

卡巴乔说：“这项技术提高了电子束的整体质量。它提供了对电子束形状的精确控制，因此在放大依靠电子束的科学仪器（如储存环、直线加速器和光源）的性能方面具有开创性意义。”

原文来源：https://phys.org/news/2020-04-electron-bunch-x-ray-laser-scientists.html