科學家最近展示了一種新方法，可以生成和持續高質量的電子束，這是 X 射線激光器所需的關鍵技術，這一進展有助於將這些儀器縮小並降低成本。這項研究由美國能源部的洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）與 TAU Systems Inc. 的團隊合作進行。研究的重點在於利用緊湊的激光等離子體加速器（LPA）來創建一個穩定可靠的電子束，該電子束顯示出強烈的輻射指數增長，這是 X 射線自由電子激光（XFEL）所需的條件。
這種 LPA 方法能夠生成每米高達 100 吉伏特（GeV）的加速梯度，使電子的加速速度比傳統加速器快 1,000 倍，傳統加速器的加速能力約為每米 50 兆伏特。這一效率的提升意味著，一個長達數英里的加速器可以縮減到數米的規模。伯克利實驗室的加速器技術與應用物理部門的科學家 Sam Barber 表示：「這是一個重大成果。」他指出，兩到三個數量級的自由電子激光增益的顯著性證明了 LPA 正在產生 XFEL 所需的高質量電子束，而其在數十次實驗中的穩定性則顯示了 LPA 的穩健性。
XFEL 是科學工具，作為明亮的 X 射線光源，允許研究人員在原子層面研究物質的性質。這些洞見對醫學、材料科學、生物學和物理學的進步具有重要貢獻。然而，它們的高功率通常需要佔據較大的空間；傳統的 XFEL 是大型研究設施，限制了其在全球的建設。這項新研究正是針對這一空間限制進行探討。Barber 解釋說：「我們正在將我們在一種先進加速器技術中積累的專業知識應用於縮小 XFEL 的規模。」
該團隊的研究是在伯克利實驗室的激光加速器（BELLA）中心進行的。團隊並未使用傳統的射頻波來加速電子，而是利用激光在等離子體中創建電子密度波。實現高能量只是成功的部分，XFEL 還需要高質量的電子束。伯克利實驗室團隊的研究顯示，LPA 不僅能提供高能量，還能提供所需的高質量電子束。
與 TAU Systems Inc. 的合作至關重要，因為該公司在加速器束物理方面的專業知識有助於將等離子體生成的束與產生 X 射線的磁性無調器相結合。TAU Systems Inc. 的首席科學家 Stephen Milton 在項目中指出：「這些自由電子激光結果確認了 LPA 開啟了關於我們如何看待加速器的革命性範式轉變。」緊湊的 XFEL 的可用性將使該技術更具可及性，能夠在生物研究中現場成像複雜的蛋白質、分析材料科學中的納米結構，並用於半導體芯片的光刻。除了創建新的獨立設施外，這項技術還可以用於升級現有的 XFEL。
科學家們認為這一成就是邁向更大突破的基石。伯克利實驗室的高級科學家 Carl Schroeder 表示：「基於 LPA 的自由電子激光發展是這項技術在高能物理領域其他應用的重要踏腳石。」這一研究的成功不僅在於技術的創新，還在於它所帶來的廣泛應用前景，可能會改變未來的科學研究方式。
