能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的直線(xiàn)加速器相干光源(LCLS)等現(xiàn)代X射線(xiàn)激光設(shè)備使科學(xué)家能夠研究自然在超小和超快尺度下的行為。但是，單個(gè)X射線(xiàn)脈沖不穩(wěn)定，一次發(fā)射之間波動(dòng)，并且會(huì)產(chǎn)生大量背景噪聲，這些噪聲會(huì)在高分辨率實(shí)驗(yàn)中使信號(hào)模糊。

現(xiàn)在，SLAC科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法，可以產(chǎn)生更穩(wěn)定，更連貫且波長(zhǎng)彼此更同步的明亮X射線(xiàn)。這可以提高數(shù)據(jù)收集的效率，并為新的實(shí)驗(yàn)鋪平道路。他們的結(jié)果最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

科學(xué)工具

在過(guò)去的幾年中，該團(tuán)隊(duì)一直在尋找通過(guò)改善脈沖質(zhì)量來(lái)改善LCLS性能的方法。

“生產(chǎn)出完美的X射線(xiàn)激光是我們社區(qū)的最終目標(biāo)之一。” 共同作者，SLAC科學(xué)家張震說(shuō)。“我們希望找到一種使X射線(xiàn)脈沖類(lèi)似于經(jīng)典光學(xué)激光器的脈沖的方法，該脈沖既穩(wěn)定又相干。”

LCLS科學(xué)副總裁Bob Schoenlein表示，這項(xiàng)研究將使XFEL成為更加重要且用途廣泛的科學(xué)工具。

他說(shuō)：“這是控制LCLS X射線(xiàn)脈沖相干特性的非常有前途的方法。” “它將使復(fù)雜的材料和分子系統(tǒng)的研究在時(shí)間和能量上都具有出色的分辨率。”

兩全其美

研究人員一直在研究產(chǎn)生更干凈的X射線(xiàn)脈沖的現(xiàn)有方法，例如使用“自種子”概念過(guò)濾噪聲脈沖并將其重新注入XFEL，但發(fā)現(xiàn)兩者之間存在根本的取舍。高度相干的脈沖和高度穩(wěn)定的脈沖。在傳統(tǒng)的自播方法中，不可能同時(shí)擁有兩者。

他們意識(shí)到他們需要采取一種完全不同的方法來(lái)規(guī)避此問(wèn)題。那時(shí)，主要作者和SLAC科學(xué)家Erik Hemsing提出了拉伸超短X射線(xiàn)脈沖的想法，這種超短X射線(xiàn)脈沖的獨(dú)特性質(zhì)使研究人員能夠穩(wěn)定和純化脈沖。

漢姆斯說(shuō)：“與其像傳統(tǒng)的自播一樣，不對(duì)長(zhǎng)的，有噪聲的脈沖進(jìn)行濾波，我們意識(shí)到我們應(yīng)該首先產(chǎn)生超短的相干脈沖，然后對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展和放大。” “通過(guò)這種方法，根據(jù)我們的研究，我們能夠同時(shí)顯著提高穩(wěn)定性和連貫性。”

該概念依賴(lài)于以下事實(shí)：與長(zhǎng)脈沖相比，超短脈沖的噪聲要小得多，并且相干性更好，特別是當(dāng)它們達(dá)到最大功率時(shí)。問(wèn)題是短脈沖攜帶的能量不多，對(duì)于某些高分辨率的科學(xué)應(yīng)用也不理想。研究人員找到了一種過(guò)濾這些脈沖，然后將其放大10,000倍的方法。

“它使我們能夠在不對(duì)現(xiàn)有設(shè)置進(jìn)行重大修改的情況下獲得想要的結(jié)果，”合著者和SLAC研究助理Alex Halavanau說(shuō)。

進(jìn)行測(cè)試

為了跟進(jìn)這項(xiàng)研究，研究小組希望在LCLS上測(cè)試該想法。Halavanau說(shuō)，將來(lái)，他們希望將該技術(shù)擴(kuò)展到更具能量的“硬” X射線(xiàn)，并使用通過(guò)該技術(shù)啟用的新的，定制的軟X射線(xiàn)脈沖來(lái)更好地了解原子，光子和電子的物理性質(zhì)。

SLAC加速器研究部主任黃志榮說(shuō)：“我們期待將這一想法應(yīng)用到即將在LCLS-II上線(xiàn)的新型軟X射線(xiàn)波動(dòng)器中。”