钻石镜可使X射线激光“升级” 学术资讯

在SLAC国家加速器实验室的一个隧道中，被称为波荡器的磁铁沿着隧道延伸约100米，一边（右）产生硬X射线，另一边产生软X射线。图片来源：SLAC国家加速器实验室

本报讯 12年前，物理学家研制出第一台X射线激光器，其对材料和分子研究具有革命性意义。但这种被称为X射线自由电子激光器（XFEL）的装置只是部分类似于激光。与传统激光器发出的纯单波长光相比，它们产生的是混乱光束。现在，物理学家正在开发一种方案，利用完美的钻石镜使X射线脉冲更像普通激光束，甚至更有用。

现在有两家机构正在加紧进行原理验证实验。“我对这种技术的潜力感到兴奋。”德国马克斯·普朗克化学能源转换研究所的化学家Serena DeBeer说，“这种光束可以用来研究酶催化反应的内部机制。”欧洲XFEL的X射线物理学家Harald Sinn则提醒说，研制这样复杂的XFEL可能需要10年时间，并不容易。

2009年，美国SLAC国家加速器实验室的物理学家实现了“硬”X射线。他们用实验室3公里长的线性加速器“点燃”了世界上第一个XFEL——直线加速器相干光源（LCLS）。此后，其他国家陆续建造了6个XFEL。

单个XFEL脉冲可以从一个纳米尺寸的晶体上散射出来，并显示后者的原子结构。但由于XFEL利用电子束密度的波动来产生X射线，因此，每个脉冲的强度不同，并且都有一个宽且随机分布的波长光谱。

美国阿贡国家实验室的加速器物理学家Kwang-Je Kim说，为消除这些“噪声”，物理学家转向了一个酝酿了几十年的想法，即提取一束电子产生的部分X射线脉冲，并及时将其反馈到波荡器的入口，以便与下一束电子重叠。再循环的X射线将作为“种子”，使电子辐射更可预测。在重复的周期中，X射线脉冲会变得非常“平滑”，波长范围只有普通XFEL脉冲的1/1000宽。

然而，这个计划需要非常特殊的晶体镜。完美晶体应该以一定的角度反射X射线，同时起到滤光片的作用。这种晶体镜一直是科学家的梦想。2010年，阿贡国家实验室的X射线物理学家Yuri Shvyd ’ko和同事发现，小型人造钻石能反射99%的X射线。幸运的是，XFEL的光束宽度不到100微米。Shvyd’ko说，“只需要一个完美的小尺寸晶体。”

该计划还需要一个高重复率的线性加速器，以确保X射线在绕镜时遇到一束新电子。鉴于原来的加速器太慢，SLAC国家加速器实验室正在安装一个新加速器，从2022年开始，其将以每秒100万次的速度运行。

来自阿贡国家实验室、SLAC国家加速器实验室和日本Spring-8实验室的物理学家计划用4块晶体镜在4个LCLS波荡器周围建造一个60米长的腔体。通过SLAC现有的加速器，他们将发射两束相隔220纳秒的电子通过波荡器，并希望证明来自第一束的再循环X射线使第二束辐射更有效。该系统将于2023年启动并运行。

欧洲XFEL的研究人员则计划在2024年前进行一种稍微不同的尝试。他们希望通过波荡器发射多达2700个电子束，并能观察到激光束在每次经过时变得更强、更平滑。德国汉堡大学的X射线物理学家Patrick Rauer在计算机上模拟了欧洲XFEL项目。他表示，该方案需要极高的精确度，将毫米大小的钻石以百万分之一的精度排列，“这将非常困难”。（文乐乐）

来源：中国科学报

原文链接：http://news.sciencenet.cn//sbhtmlnews/2021/8/364942.shtm

电话：（010）86409582

邮箱：kejie@scimall.org.cn