粒子在加速器里“快成一道光”是什么体验？

董林璐

研究人员可以用粒子加速器发出的光来探测物质的结构。一个实验表明了如何将两个这样的光源（同步辐射加速器和自由电子激光器）的特性结合在一起。

　　数十年来，粒子加速器已经得到广泛应用，使人们对物质的研究越来越细致。带电粒子在加速时会发光，利用这种现象的加速器是目前可用的最明亮的人造光源之一，使科学家能够在前所未有的微小空间和时间尺度上探测物质的性质。邓秀杰[1]等人在《自然》上报导了一个在加速器上进行的概念验证性实验，该实验可以进一步扩展这些设备的功能，并有望应用在称为极紫外线光刻的下一代芯片刻蚀技术[2]和称为角分辨光电子能谱技术[3]的先进成像方法。

　　基于加速器的光源主要有同步辐射加速器（环形加速器）和自由电子激光器（线性加速器）这两种类型。同步加速器具有很高的平均功率（每单位时间产生的光子数），并且可以产生具有可调波长和宽带宽（波长范围）的光脉冲。高功率之所以成为可能，是因为成束的粒子环绕圆形机器旋转多次，并在它们每次穿过一系列极性交替的磁铁（波荡器或扭摆器）时产生光。

　　自由电子激光器的平均功率比同步辐射加速器低，因为它们使用电子束仅一次。然而，与同步辐射加速器产生的光相比，它们产生的光脉冲具有更小的带宽和更高的亮度（最高可达前者100亿倍[4]）。在自由电子激光器中，电子发出的辐射会反作用于这些粒子，从而使它们聚集到辐射波长大小的区域。这些“微聚束”电子产生的光波是相干的（同步），并且彼此增强以实现前述超高亮度。

图1 | 微束电子束的辐射发射。邓秀杰等人[1]进行了一个概念验证性实验，其中电子的“束”环绕同步辐加速器的环形粒子加速器运行。电子束穿过一系列极性交替的磁体（由两种不同的颜色表示）时，横向振荡。在此阶段，作者们向电子束发射激光脉冲，使不同的电子带上不同的能量。然后，电子束绕行加速器一整圈。在绕行一圈之后，电子被分组为“微束”，其距离约等于激光脉冲的波长（虚线所示）。最终，邓和同事们检测到了这些微聚束发出的辐射光。

　　邓秀杰和同事们的研究结果基于一个称为稳态微聚束[5]的概念，该概念旨在结合大功率同步辐射加速器与低带宽、高亮度自由电子激光器的特性。通过在电子通过波荡器时向电子发射一个（常规的）激光脉冲，同步辐射加速器中的电子束在发射出辐射光波之前被迫形成微聚束（图1）。波荡器使电子横向振荡，激光脉冲使不同的粒子具有不同能量。

　　这束改造过的电子束在机器中环绕运行时，高能电子与低能电子相比，在被用来操控粒子的磁场中的偏转更小（因此走的路径更长），使它们向后滑动。到电子完成绕加速器运行一圈时，这种纵向滑移已导致粒子形成微束，其性质类似于用于驱动自由电子激光器的电子。这些微束之间的距离大约是入射激光脉冲的波长。

　　如前所述，微束电子束的相干发射产生的光脉冲，比通过非相干发射产生光的功率更高。邓秀杰等人在位于柏林的同步加速器（Metrology Light Source，计量光源）处检测了典型电子束产生的辐射光，随后将该辐射光与使用新方法微束化的光束进行了比较。

　　在使用带通滤波器除去残留的非相干辐射光之后，邓秀杰及同事们检测到了清晰的微束信号，表明发生电子束相干辐射。他们还研究了辐射能量和束电荷的关系，发现该辐射强度与束电荷的平方成正比，作者通过改变束电荷并分析产生的辐射观测到了这种平方关系。

　尽管本文代表了在粒子加速器中生成高功率、窄带宽光脉冲的关键步骤，但尚未展示出稳态微聚束。邓秀杰秀林等人表明，绕同步加速器旋转一圈后，微束电子束会产生相干辐射光。下一个挑战是证明绕上许多圈仍可实现该成果。这很难通过实验完成，原因有三：

　　首先，纵向滑移会在多次旋转中降低微束聚的程度。其次，为了实现大功率（千瓦级）的稳态发射，入射激光脉冲必须与电子束在每次旋转中都同步，并被约束在称为激光腔的反射装置中。第三，如果不使用反馈回路控制，束中电子之间的集体相互作用最终将降低辐射的功率和亮度。

　　最初概念有一些变体方案[5-7]可改善辐射性质，或能超越邓秀杰秀林等人的研究结果。展现这些方案意味着巨大技术难题，但是作者的概念验证性实验开辟了道路，通往实现高功率、高亮度、窄带宽且性能可能会超过当前同步加速器的光源。此外，其他类型的光源，例如开发中的存储环自由电子激光[8]和能量回收线性加速器[9]，也许会引领下一代加速器的诞生。尽管在这些方案得到可靠证实前还有重重障碍，但作者们的发现为未来高功率加速器光源提供了展望。