科学家用“甜甜圈激光”驯服电子束,以产生更亮的x射线束

激光加热器红外线梁

为了提高电子束的质量,激光加热器在它们沿着红外激光束的路径来回晃动它们。通过将光束掏空,该团队发现他们可以生产出更高质量和更稳定的束。资料来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室

新的研究表明,当一束电子通过环形激光束中间缩小时,束可以以更高的质量卷起来并产生更亮的X射线束。

一支科学家团队提出了一种改善电子束的方法,并生产更亮的X射线束:将戒指放在上面。该团队,其中包括来自能源部斯拉克国家加速器实验室和斯坦福大学的研究人员,发表了他们的成果物理评论信本月早些时候。

在x射线自由电子激光器(如SLAC的Linac相干光源(LCLS))中,科学家将电子束压缩并加速到接近光速,然后让它们在一系列磁铁中来回摆动以产生x射线。然后,这些x射线被用于研究生物、化学和材料样品,使科学家能够创建分子结构如何移动的高分辨率图像。

研究人员发现,当这些电子束长而光滑时,就像美式足球一样,它们最稳定,能产生波长更均匀、更明亮的x射线,并能获得分辨率更高的图像。但是,由于电子在真空中产生时相互排斥,束状粒子变得更短,而且不可预测地不均匀,“就像一个布满尖刺的泄气的足球,”SLAC科学家和首席研究员塞尔吉奥·卡巴霍说。

膨胀的足球

为了解决这个问题,科学家们使用了一种被称为激光加热器的设备,这种技术在SLAC已经被黄志荣和丹尼尔·拉特纳共同研究了很长时间。当电子束沿着红外激光束的路径来回摆动时,激光加热器可以使科学家创造出更长、更好形状的电子束。这个过程会给这些束注入能量,“在早期引入一点混乱,以防止以后出现更多的混乱,”卡巴霍说。

“这个想法是,如果我们没有做任何事情来充气和平滑足球尖峰,请在向下送到线性加速器之前,缺陷会放大,梁的质量会劣化,”他说。“但是如果我们”加热“电子并在开始时改变其能量分布,我们就可以根据加速器结束时量身定制其形状以提高其质量。”

“甜甜圈激光”

在这项新研究中,该团队通过储存激光束进入环形的“甜甜圈激光器”来改善该装置。这种新的电子整形技术改善了不均匀性并产生更稳定的束,因为它根据它们的中心的靠近靠近闭合而不同地摇晃电子。最终结果是一个完美形状的足球配合,以在任何亚底的超级碗中飞行。

“这种技术增加了电子束的整体质量,”Carbajo说。“它提供精确的控制电子束形状,因此可以是依赖于它们的科学仪器的性能的精确控制,例如储存环,线性加速器和光源。”

参考:“Laguerre-Gaussian Mode激光加热器,用于微观卷积的自由电子激光器中的微观稳定性”,兰迪·柠檬,魏刘,Sharon Vetter,Timothy Maxwell,Franz-Josef Decker,Alberto Lutman,Jacek Krzywinski,Gabriel Marcus,StefanMoeller,Zhirong Huang,Daniel Ratner和Sergio Carbajo,2020年3月30日,物理评论信
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.134801

LCLS是美国能源部科学用户设施办公室。斯坦福大学的唐景毅(Jingyi Tang)和科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)的兰迪·莱蒙斯(Randy Lemons)分别在实验室中对数据的分析和生成“甜甜圈”激光束发挥了关键作用。这项研究部分是由科学办公室和实验室指导的研究和发展计划在SLAC。

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