作者：David Krause，SLAC国家加速器实验室

　　在世界各地的粒子加速器设施中，科学家依靠强大的X射线来揭示原子和分子的结构和行为。现在，来自能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员已经计算出如何通过在XFEL周围构建特殊的腔室和金刚石镜，使XFEL的X射线脉冲变得更亮、更可靠。SLAC和斯坦福大学光子科学教授黄志荣表示：“我们希望让XFEL更像激光。几十年来，我们一直在寻找实现这一目标的方法，通过新的计算，我们证明了这一点。”白日梦可能成为现实。”

　　在SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)等XFEL中，各个X射线脉冲的功率因脉冲而异。结果是暂时不相干的光线——不像激光的激光——科学家更难以使用它们来完成实验，因为它们不太可预测。

　　在本月《物理评论快报》上详细介绍的一项新研究中，研究人员展示了如何使用复杂的晶体腔和镜子系统生成相干X射线脉冲，而不需要非常长和复杂的腔。

　　SLAC科学家兼论文合著者Jingyi Tang表示：“产生相干、更高亮度X射线的动机是研究真实世界的材料以及这些材料在不同条件下会发生什么。”“我们希望研究更具动态性且难以捕获的系统。”

　　使用镜子储存光线

　　乍一看，使用镜子捕捉X射线的想法似乎是不可能的。但在像LCLS-II这样的高重复率加速器上，如果你有合适的存储设备和良好的想象力，这样的想法是可能的。

　　研究人员研究了所谓的基于腔的X射线自由电子激光器(CBXFEL)。在该设计中，腔体结构（可能长达数百米甚至超过一公里）捕获加速器设施（例如SLAC的加速器设施）产生的不相干X射线脉冲。

　　在腔体内，X射线从四个金刚石反射镜反射，这些金刚石反射镜以矩形圈的形式发送X射线脉冲。当脉冲在腔内运行时，加速器内的下一个电子束向它们行进。当电子束到达时，弹跳的X射线脉冲与电子束相互作用，将其收紧并组织起来。当在波荡器中摆动时，这种更紧密的电子束将在加速器下方产生更连贯、更明亮的X射线。

　　在进行新的计算之前，研究人员认为，要维持X射线脉冲在腔体周围反弹时的功率，可能需要紧密间隔的电子束或一公里长的腔体，这使得这个想法更难实现。

　　SLAC科学家兼合著者张震表示：“我们证明，即使强大的XFEL以较慢的重复率运行，高质量的腔系统也可能只需要100-300米长，这意味着电子束之间有更大的空间。”.控制型腔损耗

　　这种新设计的关键是控制研究人员所说的腔体品质因数Q。品质因数代表腔体中镜子的反射率。高Q值意味着非常高的反射率，这使得X射线能量能够在腔内再循环，损失很小。较低的Q值意味着较低的反射率，这意味着大量的X射线离开腔体并沿着加速器传输。

　　当X射线在较短的腔内再循环且不与电子束发生任何相互作用时，Q值保持非常高。当这些X射线与入射电子束相互作用时，研究人员可以精确控制放大的X射线波长和光谱，以改变腔Q值，称为Q开关。这意味着当X射线具有足够高的功率时，即当X射线准备好离开腔体并沿着加速器传播到实验时，它们可以降低Q值。

　　通过控制Q，研究人员可以让相干X射线脉冲在腔体和反射镜系统周围多次再循环。相干X射线脉冲现在能够以很小的损耗在系统中传播，从而使脉冲有更多的时间来建立功率，从而缩短所需的腔长度并产生具有高输出功率的X射线。

　　明年，SLAC的科学家和工程师将与阿贡国家实验室和其他机构合作，在SLAC的LCLS上建造一个测试腔。实验的***初目标是展示X射线经过腔体再循环后功率的增加并观察腔体的性能。研究人员表示，在达到实验的初始目标后，还可以在此类CBXFEL系统上测试Q开关。

　　https://phys.org/news/2023-08-x-ray-laser-brightness-power-crystal.html