科学家利用“甜甜圈激光”控制电子束产生更亮的x射线

时间:2020-05-05 18:27 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

科学家利用“甜甜圈激光”控制电子束产生更亮的x射线

新的研究表明,当一束电子穿过环形激光束的中心时,这束电子的质量会更高,并产生更明亮的x射线束。

一组科学家提出了一种改进电子束并产生更明亮的x射线的方法:在电子束上加一个环。这个团队包括来自斯坦福大学的斯坦福大学国家加速器实验室和能源部的研究人员,他们在本月初的《物理评论快报》上发表了他们的研究结果。

在x射线自由电子激光器中,如slac&linac相干光源(LCLS),科学家将电子束压缩并加速到接近光速,然后通过一系列磁铁来回摆动它们以产生x射线。然后,这些x射线被用于研究生物、化学和材料样本,使科学家能够创建关于它们的分子结构如何移动的高分辨率图像。

研究人员发现,这些电子束长且平滑时最稳定,就像美式足球一样,产生波长更均匀的更明亮的x射线,并能产生更高分辨率的图像。但由于电子在真空中产生时会相互排斥,所以电子束最终会变得更短,且不可预测的不均匀,就像一个布满尖刺的泄气足球一样。SLAC科学家和首席研究员Sergio Carbajo说。

膨胀的足球

为了解决这个问题,科学家们使用了一种叫做激光加热器的设备,这种技术在SLAC已经被研究了很长时间,作者之一是黄志荣(Zhirong Huang)和丹尼尔·拉特纳(Daniel Ratner)。当电子束沿着红外激光束的路径前进时,激光加热器来回摇动电子束,使科学家们能够创造出更长的、形状更好的束。这一过程将能量注入到聚束中,并在早期引入一些混乱,以防止后续出现更多的混乱。Carbajo说。

这个想法是,如果我们不做任何事情来膨胀和平滑足球的尖刺,然后把它送进直线加速器,不完美的地方将会扩大,光束的质量将会恶化。他说。但是如果我们加热,电子一开始可以改变它的能量分布,当它到达加速器的末端时,我们可以调整它的形状来改善它的质量。

‘ Donut laser’

在这项新的研究中,研究小组改进了这一装置,将激光束掏空制成环形的环形环形激光器。这种新的电子成形技术改善了电子的不均匀性,并产生了更稳定的束,因为它根据电子离环中心的远近对电子进行了不同的振动。最终的结果是一个完美形状的足球适合在任何亚原子超级碗飞行。

这项技术提高了电子束的整体质量。Carbajo说。它能精确地控制电子束的形状,因此,它在放大依赖电子束的科学仪器(如存储环、线性加速器和光源)的性能方面具有开创性作用。

参考文献:用于抑制自由电子激光中微聚束不稳定性的拉盖尔-高斯模式激光加热器汤敬一、兰迪·雷蒙斯、刘伟、莎伦·维特尔、蒂莫西·马克斯韦尔、弗朗茨-约瑟夫·德克尔、阿尔贝托·卢特曼、雅克·克日文斯基、加布里埃尔·马库斯、斯蒂芬·莫勒、黄志蓉、丹尼尔·拉特纳和塞尔吉奥·卡巴乔,2020年3月30日,《物理评论快报》。

DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.134801

LCLS是美国能源部科学用户设施办公室。斯坦福大学的唐景义和科罗拉多矿业学院的兰迪·莱蒙斯分别在实验室中分析数据和产生甜甜圈激光束方面发挥了关键作用。这项研究部分得到了科学办公室和实验室的支持,后者负责SLAC的研究和开发项目。

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