據(jù)悉，英國思克萊德大學(xué)研究人員對趨于冷束極限的阿秒自由電子激光器的研究以“Attosecond-Angstrom free-electron-laser towards the cold beam limit”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

電子束質(zhì)量是自由電子激光器(FELs) X射線脈沖產(chǎn)生的關(guān)鍵。最先進(jìn)的線性加速器(linacs)可以提供足夠質(zhì)量的多GeV電子束，用于硬X射線FELs，盡管需要公里級的設(shè)置，而基于等離子體的加速器可以在米級距離上產(chǎn)生多GeV電子束，并開始達(dá)到足以用于EUV FELs的束流質(zhì)量。本文中，研究人員展示了等離子體光陰極的電子束可以在等離子尾場加速器(PWFAs)中產(chǎn)生，比最先進(jìn)的光陰極亮許多數(shù)量級，然后提取、捕獲、運(yùn)輸和注入波動器而沒有顯著的質(zhì)量損失。這些超亮的亞飛秒電子束可以在冷束極限附近驅(qū)動硬X-FELs，產(chǎn)生阿秒級的相干X射線脈沖，僅在波動器運(yùn)動10米后就達(dá)到飽和。這種等離子體X-FELs為先進(jìn)的光子科學(xué)能力開辟了道路，例如在自然時間和長度尺度上對原子內(nèi)部電子運(yùn)動的不受干擾的觀察，以及朝著更高的光子能量前進(jìn)。

整體設(shè)置如圖1所示，由三個主要構(gòu)建塊組成：等離子體加速器，其中產(chǎn)生超亮電子束，光束傳輸級，其中超亮電子束被捕獲、隔離和傳輸，以及波動器，產(chǎn)生 X 射線脈沖。

圖1:實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

文中，研究人員展示了從頭到尾的模擬研究，如何從PWFA中產(chǎn)生具有前所未有的發(fā)射度和亮度的亞飛秒電子束，如何在不損失電荷的情況下傳輸它們，并在幾nm-rad級的發(fā)射度下完全保存，以及如何利用這些超亮光束進(jìn)行阿秒埃級X-FEL脈沖生產(chǎn)。

等離子尾場加速器和等離子光電陰極注入器級

圖2:PWFA階段的胞內(nèi)粒子模擬。

束運(yùn)輸階段

圖3:束傳輸。

圖4:用Puffin模擬的x射線FEL脈沖產(chǎn)生。

這項(xiàng)研究開啟了廣泛的應(yīng)用和配置，例如更硬的光子能量，多色光子脈沖和光子脈沖的改進(jìn)模式的前景。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36592-z