鐳射等離子加速器可以提供緊湊、高效的粒子加速，從而為科學研究帶來革命性的變化。它們被視為極具潛力的研究工具：鐳射等離子體加速器佔用的空間比傳統設施要小，傳統設施有時長達數公里。這種結構緊湊的粒子源可以高效地加速電子束，使 X 射線鐳射器可以放在大學研究所的地下室裡。
一束結構化的電子束（調製白球體群）自下而上穿過金屬箔，產生相干光轉換輻射（COTR）。這種輻射在每個波長上都編碼了獨特的光束結構資訊，如不同的紅色、黃色和藍色輻射圖案所示。資料來源：HZDR / Blaurock
但是，科學家也面臨著一些挑戰：為了產生紫外線或 X 射線光，鐳射等離子體加速器產生的電子束必須束得非常細，並具有確定的特性。迄今為止，人們甚至很難精確測量這些電子束。現在，德累斯頓-羅森多夫亥姆霍茲中心（HZDR）的一個團隊開發出了一種新型測量方法，它將有助於推動鐳射等離子體加速器的發展。
在鐳射等離子體加速過程中，激光向氣體中發射強光脈衝。脈衝強度非常高，使氣體電離併產生等離子體--電子和離子的混合物。由於鐳射脈衝迫使較輕的電子比較重的離子更快地離開，在其後面形成了一個帶正電的"氣泡"。如果將一些電子注入這個"氣泡"，電磁場的強度幾乎可以將它們彈射向前。
這一過程只需要幾釐米的距離，但卻能使成串的電子加速，其加速度不亞於使用無線電波使粒子運動的傳統裝置，後者需要幾十米甚至幾百米的距離。
自由電子鐳射器（FEL）是最先進的鐳射等離子體加速器的一個有趣應用。在這裡，電子束以接近光速的速度飛過一個所謂的起伏器。這個磁鐵陣列迫使粒子沿著迴旋路徑飛行，使它們發出強烈的、類似鐳射的 X 射線或紫外線閃光，這些閃光可用於跟蹤極快的過程，如以四萬億分之一秒為單位進行的化學反應。
現在有幾臺這樣的研究機器，包括位於漢堡的歐洲 XFEL。它們以傳統的直線加速器為基礎，其中一些長達數公里。但到目前為止，這些裝置還很少見，因此可用的光束時間也很有限。如果能在鐳射等離子體加速器的基礎上建造 FEL，那麼這些設施就可以建造得非常緊湊和經濟，例如，一所大學研究所就能負擔得起。這樣，就會有比現在多得多的研究小組可以利用這項技術。
但研究人員已經取得了初步成功：自 2021 年以來，已有三個研究小組成功證明了基於等離子體加速器的 FEL 是可以實現的，它們是中國上海的一個小組、羅馬附近弗拉斯卡蒂的一個小組，以及與 HZDR 輻射物理研究所的物理學家 Arie Irman 博士合作的一個小組。
在《自然-光子學》（Nature Photonics）雜誌的一篇評論文章中，相關人員總結了目前的發展狀況，並逐項列出了尚未解決的研究問題。論文作者之一伊爾曼解釋說："除其他事項外，我們必須提高加速電子束的質量和穩定性，並儘量減少電子束內電子能量的分佈。但同樣重要的是開發新的診斷方法，以便更精確地研究鐳射等離子體加速器中的過程"。
這就是新的 HZDR 專案的由來：Irman 團隊的博士後 Maxwell LaBerge 博士開發了一種測量程式，使科學家們能夠詳細分析只有幾微米的極短電子束。
拉伯格解釋了其中的原理："我們幾乎以光速將電子束從等離子加速器射到薄金屬箔上。這就使金屬箔表面的電子開始運轉。因此，這些電子會發出訊號--就像發射天線一樣--可以被感測器檢測到。利用這一訊號，我們可以精確地重建穿越箔片的電子束的外觀。這一過程的專業術語是相干光轉換輻射（COTR）。"
HZDR 的專家們利用新的測量方法探索了將電子注入等離子體泡的不同方法。
艾裡-伊爾曼（Arie Irman）描述了這一結果："我們已經能夠確定，不同的注入方法產生的電子束形式迥異，這表明新方法有助於更精確地控制電子束的形式和結構。對高速電子束的控制越好，它們在 FEL 中產生的光就越明亮、越穩定。"
編譯自/ScitechDaily
DOI: 10.1038/s41566-024-01475-2
DOI: 10.1038/s41566-024-01474-3
