科學家如何從最基本的層面探索自然？是建造了“超級顯微鏡”，可以分辨原子和亞原子的細節(jié)。這在可見光下是不能實現(xiàn)的，但可以用電子束探測物質的最小維度，要么直接在粒子對撞機中使用電子束，要么在x射線激光器中將能量轉換成明亮的x射線。

這些科學發(fā)現(xiàn)機器的核心是粒子加速器，首先在一個源處產(chǎn)生電子，然后在一系列的加速器腔中提高能量。現(xiàn)在，一個國際研究團隊，包括來自美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家。

已經(jīng)展示了一種基于等離子體的更亮電子源，可以用于更緊湊、更強大的粒子加速器。這種電子束電子從等離子體內部中性原子中釋放出來的方法被稱為特洛伊木馬技術，因為這讓人想起古希臘人入侵特洛伊城的方式，他們把強大的士兵(電子)藏在木馬(等離子體)內，然后木馬(加速器)就被拉進了特洛伊城。來自蘇格蘭格拉斯哥斯特拉斯克萊德大學的Bernhard Hidding說：實驗第一次表明特洛伊木馬方法確實有效。這是未來電子源最有前途的方法之一，可能會突破當今技術的邊界。

等離子體代替金屬

在目前最先進的加速器中，電子是通過將激光照射到金屬光電陰極上而產(chǎn)生，而金屬光電陰極會將電子踢出金屬。這些電子在金屬腔內加速，從射頻場中吸收越來越多的能量，形成高能電子束。在x射線激光器中，如SLAC的Linac相干光源(LCLS)，光束驅動產(chǎn)生極其明亮的x射線。但是，在一定距離內，金屬腔只能支持有限的能量增益，或加速梯度，在分解之前，因此，高能光束的加速器變得非常大和昂貴。

近年來，SLAC和其他地方的科學家們一直在尋找使加速器更小型的方法。例如，他們證明，可以用等離子體代替金屬腔，從而實現(xiàn)更高的加速度梯度，這可能會使未來加速器的長度縮短100到1000倍。本研究將等離子體的概念擴展到加速器電子源。來自SLAC的合著者Mark Hogan說：我們之前已經(jīng)證明等離子體加速可以非常強大和高效，但是還沒有能力為未來應用生產(chǎn)出足夠高質量的光束。改善光束質量是未來幾年的首要任務，而開發(fā)新型電子源是其中的一個重要部分。

根據(jù)Hidding和同事先前的計算，特洛伊木馬技術可以使電子束的亮度比當今最強大電子束亮100到10000倍。更亮的電子束也將使未來x射線激光器更亮，并進一步增強它們的科學能力。合著者之一、加州大學洛杉磯分校特洛伊木馬項目的首席研究員詹姆斯·羅森茨威格說：如果我們能夠把兩大推力（等離子體中的高加速度梯度和等離子體中的光束產(chǎn)生）結合起來，就能制造出x射線激光器，在幾米而不是幾公里距離內就能釋放出同樣的能量。

產(chǎn)生高質量電子束

科學家在SLAC先進加速器實驗測試(FACET)設施中進行了相關研究實驗，該設施目前正在進行重大升級，產(chǎn)生高能電子脈沖，用于下一代加速器技術的研究，包括等離子體加速等。

博科園｜研究/來自：SLAC國家加速器實驗室

參考期刊《自然物理學》

DOI: 10.1038/s41567-019-0610-9

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