激光等离子加速器可以提供紧凑、高效的粒子加速，从而为科学研究带来革命性的变化。它们被视为极具潜力的研究工具：激光等离子体加速器占用的空间比传统设施要小，传统设施有时长达数公里。这种结构紧凑的粒子源可以高效地加速电子束，使 X 射线激光器可以放在大学研究所的地下室里。
一束结构化的电子束（调制白球体群）自下而上穿过金属箔，产生相干光转换辐射（COTR）。这种辐射在每个波长上都编码了独特的光束结构信息，如不同的红色、黄色和蓝色辐射图案所示。资料来源：HZDR / Blaurock
但是，科学家也面临着一些挑战：为了产生紫外线或 X 射线光，激光等离子体加速器产生的电子束必须束得非常细，并具有确定的特性。迄今为止，人们甚至很难精确测量这些电子束。现在，德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）的一个团队开发出了一种新型测量方法，它将有助于推动激光等离子体加速器的发展。
在激光等离子体加速过程中，激光向气体中发射强光脉冲。脉冲强度非常高，使气体电离并产生等离子体--电子和离子的混合物。由于激光脉冲迫使较轻的电子比较重的离子更快地离开，在其后面形成了一个带正电的"气泡"。如果将一些电子注入这个"气泡"，电磁场的强度几乎可以将它们弹射向前。
这一过程只需要几厘米的距离，但却能使成串的电子加速，其加速度不亚于使用无线电波使粒子运动的传统装置，后者需要几十米甚至几百米的距离。
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飞过一个所谓的起伏器。这个磁铁阵列迫使粒子沿着回旋路径飞行，使它们发出强烈的、类似激光的 X 射线或紫外线闪光，这些闪光可用于跟踪极快的过程，如以四万亿分之一秒为单位进行的化学反应。
现在有几台这样的研究机器，包括位于汉堡的欧洲 XFEL。它们以传统的直线加速器为基础，其中一些长达数公里。但到目前为止，这些设备还很少见，因此可用的光束时间也很有限。如果能在激光等离子体加速器的基础上建造 FEL，那么这些设施就可以建造得非常紧凑和经济，例如，一所大学研究所就能负担得起。这样，就会有比现在多得多的研究小组可以利用这项技术。
但研究人员已经取得了初步成功：自 2021 年以来，已有三个研究小组成功证明了基于等离子体加速器的 FEL 是可以实现的，它们是中国上海的一个小组、罗马附近弗拉斯卡蒂的一个小组，以及与 HZDR 辐射物理研究所的物理学家 Arie Irman 博士合作的一个小组。
在《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志的一篇评论文章中，相关人员总结了目前的发展状况，并逐项列出了尚未解决的研究问题。论文作者之一伊尔曼解释说："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。但同样重要的是开发新的诊断方法，以便更精确地研究激光等离子体加速器中的过程"。
这就是新的 HZDR 项目的由来：Irman 团队的博士后 Maxwell LaBerge 博士开发了一种测量程序，使科学家们能够详细分析只有几微米的极短电子束。
拉伯格解释了其中的原理："我们几乎以光速将电子束从等离子加速器射到薄金属箔上。这就使金属箔表面的电子开始运转。因此，这些电子会发出信号--就像发射天线一样--可以被传感器检测到。利用这一信号，我们可以精确地重建穿越箔片的电子束的外观。这一过程的专业术语是相干光转换辐射（COTR）。"
HZDR 的专家们利用新的测量方法探索了将电子注入等离子体泡的不同方法。
艾里-伊尔曼（Arie Irman）描述了这一结果："我们已经能够确定，不同的注入方法产生的电子束形式迥异，这表明新方法有助于更精确地控制电子束的形式和结构。对高速电子束的控制越好，它们在 FEL 中产生的光就越明亮、越稳定。"
编译自/ScitechDaily
DOI: 10.1038/s41566-024-01475-2
DOI: 10.1038/s41566-024-01474-3
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