粒子在加速器里“快成一道光”是什么体验？-盎真小谈

研究人员可以利用粒子加速器发出的光来探测物质的结构。一个实验展示了如何结合两个这样的光源（同步辐射加速器和自由电子激光器）的特性。

几十年来，粒子加速器得到了广泛的应用，使得人们对物质的研究越来越细致。带电粒子在加速时会发光。利用这种现象的加速器是目前可用的最亮的人造光源之一，使科学家能够在前所未有的空间和时间尺度上探测物质的特性。邓秀杰[1]等人在Nature上报道了在加速器上进行的概念验证实验，该实验可以进一步扩展这些器件的功能，有望应用于下一代芯片刻蚀——极紫外光刻技术。技术 [2] 和一种称为角分辨光电子能谱技术 [3] 的先进成像方法。

基于加速器的光源主要有同步辐射加速器（环形加速器）和自由电子激光器（直线加速器）。同步加速器具有较高的平均功率（单位时间产生的光子数），可以产生波长可调、带宽（波长范围）宽的光脉冲。高功率是可能的，因为粒子束围绕圆形机器旋转多次，每次穿过一系列极性交替的磁铁（波动器或扭曲器）时都会产生光。

自由电子激光器的平均功率低于同步辐射加速器，因为它们只使用一次电子束。然而，与同步辐射加速器产生的光相比，它们产生的光脉冲带宽更小，亮度更高（高达前者的100亿倍[4]）。在自由电子激光器中，电子发出的辐射会与这些粒子发生反应，使它们集中在辐射波长范围内。这些“微束”电子产生的光波相干（同步）并相互增强，以实现上述超高亮度。

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图1 |微束电子束的辐射发射。邓秀杰等。 [1] 进行了一项概念验证实验，其中一束电子围绕同步加速器的环形粒子加速器运行。电子束在穿过一系列极性交替的磁铁（用两种不同颜色表示）时会横向振荡。在这个阶段，作者向电子束发送激光脉冲，使不同的电子携带不同的能量。然后，电子束绕加速器运行一整圈。绕了一圈后，电子被分组为“微束”，其距离大约等于激发光脉冲的波长（虚线所示）。最后，邓和他的同事检测到了这些微束发出的辐射。（改编自参考文献 [1] 中的图 1）

邓秀杰及其同事的研究成果基于一种称为稳态微聚束[5]的概念，旨在将高功率同步辐射加速器与低带宽、高亮度的自由电子激光特性结合起来。通过在电子穿过波荡器时向电子发射（传统）激光脉冲，同步加速器中的电子束在发射辐射波之前被迫形成微束（图 1）。波荡器使电子横向振荡，激光脉冲使不同的粒子具有不同的能量。

当这种经过修改的电子束在机器中四处移动时，高能电子在用于操纵粒子的磁场中比低能电子具有更少的偏转（因此它们行进的路径更长），从而使它们向后滑动。当电子完成加速器的一圈旋转时，这种纵向滑动已导致粒子形成微束，其特性类似于用于驱动自由电子激光器的电子。这些微光束之间的距离大约是入射激光脉冲的波长。

如前所述，微束电子束相干发射产生的光脉冲比非相干发射产生的光具有更高的功率。邓秀杰等人在柏林的同步加速器（计量光源）上检测到典型电子束产生的辐射光，然后将辐射光与使用新方法微束的光束进行比较。

使用带通滤波器去除残留的非相干辐射后，邓秀杰及其同事检测到清晰的微束信号，表明发生了电子束相干辐射。他们还研究了辐射能量与束流电荷之间的关系，发现辐射强度与束流电荷的平方成正比。作者通过改变束流电荷和分析产生的辐射来观察这种平方关系。

尽管本文代表了在粒子加速器中产生高功率、窄带宽光脉冲的关键步骤，但它尚未展示稳态微聚束。邓秀杰、秀林等人表明，微束电子束绕同步加速器旋转一圈后会产生相干辐射。下一个挑战是证明这个结果仍然可以通过多次循环来实现。由于三个原因，这很难通过实验来完成：

首先，纵向滑移会降低多次旋转时微束会聚的程度。其次，为了实现高功率（千瓦级）稳态发射，入射激光脉冲必须在每次旋转中与电子束同步，并被约束在在称为激光腔的反射装置中。第三，如果不使用反馈回路控制，光束中电子之间的集体相互作用最终会降低辐射的功率和亮度。

最初的概念有一些变体[5-7]，可以提高辐射特性，或者可以超越邓秀杰、秀林等人的研究成果。演示这些解决方案意味着巨大的技术难度，但作者的概念验证实验为实现高功率、高亮度、窄带宽和可能超过当前同步加速器的性能的光源开辟了道路。此外，其他类型的光源，如正在开发的存储环自由电子激光器[8]和能量回收直线加速器[9]，可能会引领下一代加速器的诞生。尽管在这些方案得到可靠证实之前仍有许多障碍，但作者的发现为高功率加速器光源的未来提供了前景。

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