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科学家驯服电子束,用“甜甜圈激光”产生更亮的X射线束
新的研究表明,当一束电子在环形激光束的中间放大时,该束电子可以以更高的质量缠绕并产生更亮的X射线束。

来自能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员,本月初在《物理评论快报》上发表了他们的研究结果。该团队提出了一种改善电子束并产生更明亮的X射线束的方法:在其上放一个环。在SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)等X射线自由电子激光器上,科学家将电子束压缩和加速到接近光速,然后通过一系列磁铁来回摆动它们以产生X射线。然后,这些X射线用于研究生物学,化学和材料样品,使科学家能够创建有关其分子结构如何运动的高分辨率图像。
研究人员发现,当这些电子束长而光滑时(如美式橄榄球),它们最稳定,可以产生波长更均匀的更明亮的X射线,并可以提供更高分辨率的图像。但SLAC科学家兼首席研究员塞尔吉奥·卡尔巴霍(Sergio Carbajo)也说,由于电子在真空中产生时会相互排斥,因此束最终会变得更短且变幻莫测,就像“放气的足球被尖峰覆盖”。
“足球膨胀”
为了解决这个问题,科学家使用了一种称为激光加热器的设备,该技术在SLAC上由合著者Huang Zhirong Huang和Daniel Ratner进行了长期研究。激光加热器沿着红外激光束的路径来回摇动电子束,从而使科学家可以制造更长,形状更好的束。Carbajo说,这一过程将能量注入到束中,“尽早引入一些混乱,以防止生产线进一步陷入混乱。”他说:“我们的想法是,如果我们不做任何事情来使足球的尖峰膨胀并使其平滑,然后再将其送入线性加速器,不完美之处就会放大,光束质量也会恶化,”。“但是,如果我们在一开始就'加热'电子并改变其能量分布,我们可以定制其形状以在到达加速器末端时改善其质量。”
“甜甜圈激光”
在这项新的研究中,研究小组通过将激光束挖空成环形的“甜甜圈激光器”,对该设备进行了改进。这项新的电子整形技术可改善不均匀性并产生更稳定的束,因为它会根据电子与环中心的接近程度来不同地摇动电子,最终结果是形状完美的足球适合在任何亚原子的超级碗中飞行。“这种技术提高了电子束的整体质量,” Carbajo说。“它提供了对电子束形状的精确控制,因此在放大依赖于电子束的科学仪器(例如存储环,线性加速器和光源)的性能方面具有开创性的意义。”

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