科学家们展示了一种新方法，用于产生和维持X射线激光器所需的高质量电子束。这是朝着使此类仪器变得更小、更经济方向迈出的重要一步。

　　这项研究由美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）与TAU Systems Inc.公司合作进行。

　　研究的核心是利用紧凑型激光等离子体加速器（LPA）来产生稳定可靠的电子束，该电子束展现出强烈的辐射指数级增长 —— 这是实现X射线自由电子激光器（XFEL）的必要条件。

　　这种LPA方法可产生每米100吉电子伏（GeV）的加速梯度，使电子加速速度比传统加速器（通常限制在约每米50兆电子伏）快达1000倍。效率的提升意味着原本需要数英里长的加速器可缩减至米级规模。

　　“这是一项重大突破，”伯克利实验室加速器技术与应用物理（ATAP）部门的科学家、该新研究的第一作者萨姆·巴伯（Sam Barber）说。“自由电子激光（FEL）增益达到两到三个数量级的事实，充分证明了LPA正在产生使FEL工作所需的高质量电子束。而它在连续数十次实验活动中表现如此可靠，也说明了LPA的稳健性。”

　　XFEL是能产生强X射线光源的科学工具，使研究人员能够在原子层面研究物质的本质。这些见解有助于推动医学、材料科学、生物学和物理学的进步。然而，其高功率通常意味着需要巨大的空间；传统的XFEL是大型研究设施，全球仅有少数地点能够建造。这项新研究正是为了解决这个尺寸限制问题。

　　“我们正在运用我们在一种称为激光等离子体加速的先进加速器方面积累的长期专业知识，来缩小XFEL的尺寸，”巴伯解释道。

　　该团队的成果是在伯克利实验室的激光加速器（BELLA）中心实现的。团队没有使用传统的射频波来加速电子，而是利用激光在等离子体中产生电子密度波。

　　获得高能量只是实现XFEL的一个要素，它同时还需要高质量的电子束。伯克利实验室团队的工作是朝着证明LPA能够同时满足这两点要求迈出的一步。

　　与TAU Systems Inc.公司的合作至关重要，该公司在加速器束流物理学方面的专长帮助将等离子体产生的电子束耦合到了产生X射线的磁波荡器上。

　　“这些FEL结果证实了一个前提：LPA在如何审视加速器、它们的形态以及它们能实现什么方面，开启了一场革命性的范式转变，”该项目中来自TAU Systems Inc.公司的首席科学家斯蒂芬·米尔顿（Stephen Milton）评价道。

　　紧凑型XFEL的可用性将使该技术更易获得，从而能够用于生物研究中复杂蛋白质的现场成像、材料科学中纳米结构的分析以及制造半导体芯片的光刻工艺。除了创建新的独立设施外，该技术还可用于升级现有的XFEL。

　　“来自等离子体加速器的高质量电子束可以被注入现有的XFEL中，以扩展其性能，”巴伯总结道。

　　“开发基于LPA的自由电子激光器是迈向该技术其他应用的重要一步，例如用于高能物理的直线加速器，”BELLA中心的高级科学家卡尔·施罗德（Carl Schroeder）表示。

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