在世界各地的粒子加速器装置中，科学家利用强大的 X 射线来揭示原子和分子的结构和行为。现在，美国能源部 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 产生的 X 射线脉冲变得更亮、更稳定。SLAC 和斯坦福大学的光子科学教授Zhirong Huang表示：“我们希望让我们的 XFEL 更像激光器，几十年来，我们一直在寻找一种方法来做到这一点，通过我们的新计算，我们证明这个梦想可以成为现实。”
在像斯坦福直线加速器中心的直线加速器相干光源(LCLS)这样的XFEL中，每个X射线脉冲的功率会因脉冲不同而有差异。结果是时间上是非相干的光线，即不太像激光的激光器，由于它们不太可能预测，因此这对科学家来说很难用于完成实验。最近，研究人员展示了如何只需利用复杂的晶体腔和镜子系统、而不需要非常长且复杂的腔体来产生相干 X 射线脉冲，这项研究成果已经发表在《Physical Review Letters》期刊上。论文的第一作者、SLAC 科学家 Jingyi Tang 表示：“产生相干、更高亮度 X 射线的动机是研究现实世界的材料以及这些材料在不同条件下会发生什么现象，我们希望研究更具动态性且难以捕获的系统。”
这是基于腔体的X射线自由电子激光的示意图。电子束(蓝色)穿过波荡器(棕白相间部分)。在波荡器内部，电子束释放出X射线脉冲(橙色)。这些脉冲在一组四个镜子之间反弹，直到它们从非相干X射线转变为相干X射线(黄色)。然后，利用研究团队的Q开关技术，相干X射线离开腔镜系统，并且继续通过加速器传递给实验大厅内的科学家们。
利用镜子储存光束
乍一看，利用镜子捕捉 X 射线的想法似乎是不可能的。但是在像 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丰富的想象力，这样的想法可能是可行的。研究人员研究了所谓的基于腔体的 X 射线自由电子激光 (CBXFEL)。在这种设计中，一个腔体结构(可能长达数百米甚至超过一公里)捕获加速器装置(例如 SLAC 的加速器装置)产生的非相干 X 射线脉冲。在腔体内，X 射线从四个金刚石反射镜反射，将X射线脉冲形成矩形的回路。当脉冲在腔内运行时，加速器内的下一个电子束向向行进。当电子束到达时，反射回来的 X 射线脉冲与电子束相互作用，使其更加紧密和有序。当在波荡器中摆动时，这种更紧密的电子束将在加速器更远处下方产生更相干、更明亮的 X 射线。在进行新的计算之前，研究人员认为在腔体内保持X射线脉冲的功率可能需要紧密排列的电子束或长达数公里的腔体，这使得这个想法变得更难实现。该论文的合作者、SLAC 科学家Zhen Zhang表示：“我们证明了即使在重复频率较低的强大的 XFEL 上运行，这种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”。
控制腔体的损耗
这种新设计的关键是控制研究人员经常强调的腔体的品质因数 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 射线功率能够在腔内循环时损失很小。较低的 Q 值意味着较低的反射率，这会导致大量的 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 值保持非常高的状态。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，以改变腔体的 Q 值，即称为 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输到实验站时，它们可以降低 Q 值。通过控制 Q 值，研究人员可以让相干 X 射线脉冲在腔体和反射镜系统中多次再循环，这种相干 X 射线脉冲现在能够以很小的损耗在系统中传输，从而使脉冲有更多的时间来积累功率，从而缩短所需的腔体长度并产生具有高输出功率的 X 射线。
在接下来的一年里，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。实验的初步目标是证明X射线经过腔体再循环后功率的增加，并且观察腔体的性能。研究人员表示，在实现了实验的初步目标后，还可以在此类 CBXFEL 系统上测试 Q 开关技术。
