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科学家是如何从最基本的层面探索自然的？
他们会建造能辨识原子和亚原子的细节的“超级显微镜”。不过这在可见光下可是行不通的。若想探测最小尺度的物质，他们可以对电子束加以利用，要么将它们直接用于粒子对撞机，要么在X射线激光器中将它们的能量转换成明亮的X射线。而在这些能作出科学发现的机器中占据C位的，是粒子加速器。首先，粒子加速器会产生电子，然后在一系列的加速器腔中提高电子的能量。
现在，一个国际研究团队发现，一种更明亮的、基于等离子体的电子源，可被用于更紧凑、更强大的粒子加速器中。
在这种方法中，电子束的电子会从等离子体内的中性原子中释放出来。这种方法被称为特洛伊木马技术，因为这让人想起古希腊人入侵特洛伊城的方式，他们把雄健的士兵（电子）藏在木马（等离子体）中，然后被拉进了城市（加速器）。
○ 一束激光（左边红色）将电子（蓝点）从氦原子上剥离。一些自由电子（红点）在由电子束（绿色）产生的等离子体泡（白色椭圆形）内加速。| 图片来源：Thomas Heinemann/University of Strathclyde
斯特拉斯克莱德大学的Bernhard Hidding是这项研究的首席研究员，他说：“我们的实验第一次表明特洛伊木马方法确实能奏效。这是最有前途的一种未来电子源方法，它或许能突破当今技术的边界。”
这一研究发表在了《自然-物理》期刊上。
1. 用等离子体代替金属
在目前最先进的加速器中，电子是通过将激光照射到金属的光电阴极上产生的，金属光电阴极会将电子从金属中踢出。电子在金属腔内加速，在那里，它们会从一个射频场中吸收越来越多的能量，形成高能的电子束。在X射线激光器中，比如SLAC国家加速实验室中的LCLS，电子束能驱动产生极其明亮的X射线。
但是在一定的距离内，金属腔只能为电子提供有限的能量增益，或者说加速梯度。因此若想要有更大的能量增益，加速器还需要变得更大才行，这样一来，建造加速器所需的占地面积和成本都会变得非常大。近年来，科学家一直在寻找能使加速器变得更紧凑的方法。例如他们证实了可以用等离子体代替金属腔，以此来获得更高的加速梯度，这或许能将未来加速器的长度缩短100到1000倍。
新的论文将等离子体的概念扩展成为加速器的电子源。SLAC的Mark Hogan是论文的一名合著者，他说：“我们之前已经证明等离子体加速可以非常强大且高效，但是我们还没能为未来的应用制造出足够高质量的电子束。改善电子束的质量是未来几年的首要任务，而开发新型的电子源就是其中的一个重要部分。”
根据他们先前的计算，特洛伊木马技术可以使电子束的亮度比现如今最强大的电子束高100到10000倍。更亮的电子束也能使未来的X射线激光器更加明亮，从而更进一步地增强它们的科学能力。
特洛伊木马项目在加州大学洛杉矶分校的首席研究员James Rosenzweig表示，如果能够将等离子体中的高加速梯度和等离子体中的束流产生结合在一起，那么就可以在几米而不是几公里的距离内制造出能释放同等能量的X射线激光器。
2.制造高级的电子束
研究人员在SLAC的FACET设备上进行了他们的实验。目前FACET正在进行重大升级，它能产生可用于下一代加速器技术研究（如等离子体加速）的高能电子脉冲。
首先，研究小组将激光照射到氢气和氦气的混合物中。所使用的的激光恰好有足够的能量能从氢中剥离电子，把中性氢变成等离子体。但它的能量不足以将氦也变成离子，氦的电子比氢的电子束缚得更紧密，所以在等离子体中会仍然维持中性。
然后，研究人员将FACET的一个电子束发送到等离子体中，在那里产生等离子体尾流，就像摩托艇在水中滑行时会产生尾流一样。拖尾的电子可以在尾流中“冲浪”，获得巨大的能量。
在这项研究中，拖尾电子来自等离子体内部（如下图所示）。就在电子束以及它的尾流经过时，研究人员用第二束紧密聚焦的激光照向等离子体中的氦。这一次的激光脉冲有了足够的能量，可以把电子从氦原子中剥离出来，然后电子在尾流中加速。
○ 这个动图呈现了特洛伊木马方法的概念。SLAC的FACET设备中的一束电子群（右边的白色亮斑）穿过氢等离子体（紫色），形成了一个等离子体泡（蓝色）。当气泡以接近光速通过等离子体时，一束激光脉冲将等离子体中的中性氦原子上的电子（白点）剥离了出来，这些被释放出的电子就被困在气泡的尾部，在那里获得能量（左边的白色亮点）。| 图片来源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
电子束以接近光速通过等离子体，它们和激光闪光之间的同步仅会持续千分之几秒，这是特别重要且具有挑战性的。加州大学洛杉矶分校的Aihua Deng是论文的主要作者之一，他说：“如果闪光来得太早，它所产生的电子就会干扰的等离子体尾流的形成。如果来得太晚，等离子体尾流就会移动，导致电子无法加速。”
研究人员预计，现在能用特洛伊木马方法所获得的电子束亮度，已经可以与现有的最先进的电子源的亮度相媲美了。
来自德国汉堡大学的另一位主要作者Oliver Karger说：“我们的技术之所以具有革命性在于制造电子的方式。”当电子被从氦中被剥离出来时，它们会在正向快速加速，这使得光束被紧紧地束在一起，这是要获得更明亮光束的先决条件。
○ 在SLAC实现的利用特洛伊木马技术，在垂直几何（激光和电子束之间呈90度）生产高能电子束。一束激光（红色，从右到左）将氦原子上的电子（蓝点）剥离。一些自由电子（紫色到黄色的点）在一个由电子束（绿色）产生的等离子体泡（白色椭圆）内加速。 | 图片来源：Thomas Heinemann/University of Strathclyde
○ 利用特洛伊木马技术，在共线几何（激光和电子束对齐）产生高能电子束。一束聚焦的激光（橙红色）将氦原子上的电子（最初为蓝点）剥离出来。然后所有的这些自由电子在一个由电子束（绿色）产生的等离子体泡（白色椭圆形）内加速（越来越多的绿点）。 | 图片来源：Thomas Heinemann/University of Strathclyde
3.更多的研发工作
但是要想让这样的小型X射线激光器的应用变为现实，科学家还需要进行更多的研究。接下来，研究人员想要提高光束的质量和稳定性，并能进行更好的诊断，这样他们就能够实际测量光束的亮度，而不仅仅是进行估算。
这些进展将在FACET升级成FACET-II之后完成。FACET的主任Vitaly Yakimenko说：“这个实验依赖于利用了强电子束能产生等离子体尾流的能力。FACET-II将会成为世界上唯一一个能产生足够高的强度和能量的电子束的地方。”
参考链接：
https://www6.slac.stanford.edu/news/2019-08-12-atomic-trojan-horse-could-inspire-new-generation-x-ray-lasers-and-particle
来源：原理
编辑：Major Tom
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