美国科学家利用速度提高 1000 倍的电子束突破缩小巨型激光器

AI科技 2025年08月02日 01:21 0 admin

其中一项由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利）实验室）科学家主导的合作研究，成功验证了利用激光加速器（LPA）产生可驱动X科研光束自由电子激光器（XFEL）的高质量、高稳定性电子束。这项突破的核心提出了比传统射频加速技术高出近千倍的加速效率，为将绵延数英里的巨型装置微缩至米级空间铺平了道路，有望对基础物理、医学推理及其材料科学等领域产生必然影响。

传统XFEL作为一种能够产生超高X射线解决脉冲的尖端工具，使科学家得以在秒原子图和飞级时间图上观察的物质动态行为。然而，其庞大的体积使得结构设施在全球范围内屈指可数，成为一种稀缺的科研资源。

伯克利实验室的研究团队在BELLA（伯克利激光加速器）中心，采用了一种创新性的方法。他们没有依赖传统的射频电磁波来“推动”电子，而是利用超强激光束在水平（一种由离子和自由电子组成的物质状态）中激发产生尾波场。电子相当于在“海浪”中冲浪的实力，被这股强大的加速度以惊人的速度加速。其产生的加速度梯度接近每米100兆电子伏特（GeV），相比之下，传统加速器的梯度梯度每米约50兆电子伏特（MeV），效率提升了三个数量级。

“这是一个决定性的成果，”该研究的第一、伯克利实验室器技术与应用物理（ATAP）部门的研究员萨姆·巴伯（Sam Barber）表示。“我们观察到了多达两到三个数量级的自由电子激光增益，这无可辩驳地证明了LPA能够产生驱动XFEL所需的高品质电子束。更重要的是，该性能在连续连续实验中加速了高度的可靠性，从而实现了LPA技术的可靠性。”

实现高能量只是挑战的一部分，XFEL同样对电子束的质量运行——包括能量扩散和发散度——有着极为严格的要求。此次研究的地点成功，它证明了LPA技术可以同时满足了能量和质量这两大核心指标。

产研结合未来展望

与TAU Systems公司的合作在本次突破中扮演了关键角色。TAU Systems在加速束流流物理学领域的专业知识，对于将磁场中产生的电子束成功耦合到产生X射线的核心部件——磁波荡器中的关键部件——磁波荡器是周期性变化的磁场结构，当高质量电子束接近光偏转穿越时，会发生同步的、高强度的X射线光。

“这些自由电子激光器的成果，印证了LPA技术已经开启了我们对加速器的一场范式革命，将重新定义加速器的形态和可能性，”TAU Systems公司该项目的首席科学家斯蒂芬·米尔顿（Stephen Milton）评论道。

紧凑型XFEL的出现，意味着该技术将更加普及。未来，大学、医院和高科技企业或许有足够的负担能力并部署自己的小型化XFEL设施。其应用场景十分有限，例如在生物研究中对复杂的蛋白质进行原位动态结论，在材料科学中对纳米结构进行高精度分析，甚至在半导体工业中用于下一代芯片制造的光刻技术。

除了建设全新的结构型设施外，这项技术还为升级现有的XFEL装置提供了新的可能性。“底层加速器的高质量电子束可以被注入到现有的XFEL设施中，以扩展其性能边界。”巴伯总结道。

人员将这一成就视为迈向更宏大目标的基石。贝拉中心资深科学家卡尔·施罗德（Carl Schroeder）指出：“基于LPA的自由电子激光器的研究发展，是走向其他技术应用的重要里程碑，例如构建高能物理研究的下一代直线对人类撞击机。”此次工作不仅缩小了仪器的尺寸，更拓宽了探索世界的视野，着眼于一个由桌面型超强驱动的科学新时代或即将到来。