科学家们开发出新的方法来产生超稳定X射线

图片来源:SLAC国家加速器实验室

现代X射线激光设备，如能源部SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)，允许科学家在超小和超快尺度下研究大自然的行为。然而，单个X射线脉冲是不稳定的，不同脉冲存在波动，因此会产生大量的背景噪声，可能在高分辨率实验中淹没信号。

如今，SLAC的科学家们开发出一种方法可以产生更亮的X射线，且这种X射线更加稳定，相干性更好，并且波长之间更加同步。这可以提高数据收集的效率，为新实验铺平道路。相关研究结果最近发表在《物理评论快报》上。

科学的工具

在过去几年里，该研究小组一直在寻找通过改善脉冲质量来提高LCLS性能的方法。“生产出完美的X射线激光器是我们团队的最终目标之一。”共同作者、SLAC科学家张震说,“我们想找到一种方法，使X射线脉冲能达到类似于经典光学激光器脉冲，既稳定又相干。”

LCLS科学副主任Bob Schoenlein表示，这项研究将使X射线自由电子激光器(XFEL)成为更加重要且用途广泛的科学工具。“这是一种非常有前途的控制LCLS X射线脉冲相干性的方法”，他说“它将使复杂材料和分子系统的研究具有精确的时间和能量分辨率。”

两全其美

研究人员一直在研究现有的方法来产生更干净的X射线脉冲，例如使用“自激注入”方法，将噪声脉冲过滤掉并将其重新注入XFEL，但是，他们发现在高度相干性和稳定性之间有一个基本的权衡。在传统的自激注入方法中，不可能同时拥有两者。

他们意识到需要采取完全不同的方法来规避此问题。因此，第一作者，SLAC科学家Erik Hemsing提出拉伸超短X射线脉冲的想法，这种超短X射线脉冲的独特特性使研究人员能够稳定和纯化脉冲。

Hemsing说:“我们意识到，应该首先产生超短的相干脉冲，然后对它们进行拉伸和放大，而不是像传统的自激注入那样先过滤掉较长且有噪声的脉冲。根据我们的研究，通过这种方式能够同时显著提高脉冲的稳定性和相干性。”

这个概念是基于这样一个事实，即超短脉冲的噪声比长脉冲小得多，相干性也更强，特别是当它们达到最大功率时。但问题是短脉冲携带的能量不多，对于某些高分辨率的科学应用并不理想。研究人员找到了一种过滤这些脉冲的方法，然后将其放大1万倍。

“这使我们能够在不对现有设置进行重大修改的情况下获得想要的结果，”共同作者，SLAC研究助理Alex Halavanau说。

进行测试

为了跟进这项研究，该团队希望在LCLS测试这一想法。Halavanau说，他们希望这项技术将来能扩展到能量更大的“硬”X射线，并且能够使用利用该项技术生产的新的，定制的软X射线脉冲来更好地了解原子，光子和电子的物理性质。

SLAC加速器研究部主任黄志荣(Zhirong Huang)表示:“我们期待将这一想法应用到即将在LCLS-II上线的新型软X射线波动器中。”

文章信息：

Erik Hemsing et al. Enhanced Self-Seeding with Ultrashort Electron Beams, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.044801