SLAC科学家开发出新方法生产更稳定的X射线

能源部SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)等现代X射线激光设备使科学家能够研究自然在超小和超快尺度下的行为。但是，单个X射线脉冲不稳定，一次发射之间波动，并且会产生大量背景噪声，这些噪声会在高分辨率实验中使信号模糊。

现在，SLAC科学家已经开发出一种方法，可以产生更稳定，更连贯且波长彼此更同步的明亮X射线。这可以提高数据收集的效率，并为新的实验铺平道路。他们的结果最近发表在《物理评论快报》上。

科学工具

在过去的几年中，该团队一直在寻找通过改善脉冲质量来改善LCLS性能的方法。

“生产出完美的X射线激光是我们社区的最终目标之一。” 共同作者，SLAC科学家张震说。“我们希望找到一种使X射线脉冲类似于经典光学激光器的脉冲的方法，该脉冲既稳定又相干。”

LCLS科学副总裁Bob Schoenlein表示，这项研究将使XFEL成为更加重要且用途广泛的科学工具。

他说：“这是控制LCLS X射线脉冲相干特性的非常有前途的方法。” “它将使复杂的材料和分子系统的研究在时间和能量上都具有出色的分辨率。”

两全其美

研究人员一直在研究产生更干净的X射线脉冲的现有方法，例如使用“自种子”概念过滤噪声脉冲并将其重新注入XFEL，但发现两者之间存在根本的取舍。高度相干的脉冲和高度稳定的脉冲。在传统的自播方法中，不可能同时拥有两者。

他们意识到他们需要采取一种完全不同的方法来规避此问题。那时，主要作者和SLAC科学家Erik Hemsing提出了拉伸超短X射线脉冲的想法，这种超短X射线脉冲的独特性质使研究人员能够稳定和纯化脉冲。

汉姆斯说：“与其像传统的自播一样，不对长的，有噪声的脉冲进行滤波，我们意识到我们应该首先产生超短的相干脉冲，然后对其进行扩展和放大。” “通过这种方法，根据我们的研究，我们能够同时显着提高稳定性和连贯性。”

该概念依赖于以下事实：与长脉冲相比，超短脉冲的噪声要小得多，并且相干性更好，特别是当它们达到最大功率时。问题是短脉冲携带的能量不多，对于某些高分辨率的科学应用也不理想。研究人员找到了一种过滤这些脉冲，然后将其放大10,000倍的方法。

“它使我们能够在不对现有设置进行重大修改的情况下获得想要的结果，”合著者和SLAC研究助理Alex Halavanau说。

进行测试

为了跟进这项研究，研究小组希望在LCLS上测试该想法。Halavanau说，将来，他们希望将该技术扩展到更具能量的“硬” X射线，并使用通过该技术启用的新的，定制的软X射线脉冲来更好地了解原子，光子和电子的物理性质。

SLAC加速器研究部主任黄志荣说：“我们期待将这一想法应用到即将在LCLS-II上线的新型软X射线波动器中。”