自由電子激光器是一種利用自由電子的受激輻射，把相對論電子束的能量轉(zhuǎn)換成相干輻射的激光器件，可應用在眾多領域，具有廣闊的市場應用前景，而要想自由驅(qū)動自由電子激光器，就必須對電子進行加速。科學家們一直嘗試各種方法刺激電子，最近，他們利用拍瓦激光器成功將電子加速到2GeV。

       激光—等離子體加速的想法，于上世紀70年代末，由德克薩斯大學奧斯汀分校物理學家Toshiki Tajima和加州大學洛杉磯分校物理學家John Dawson共同提出。從上世紀90年代開始，科學家一直嘗試在實驗上驗證這一概念，但是受到激光器功率的限制，最大能量多年來一直徘徊在1 GeV左右。

       近期，德克薩斯大學奧斯汀分校Mike Downer教授的研究小組成功地在1英寸的距離內(nèi)將約5億個電子加速到2 GeV。研究結果發(fā)表在《自然•通訊》雜志（Nat. Commun. 4, 1988）上。

    Downer說：“到目前為止，將電子加速到2 GeV這一級別的能量需要長度超過2個足球場的傳統(tǒng)加速器，而我們實驗中所用的設備尺寸縮減了近10,000倍。2GeV加速器產(chǎn)生的電子可以轉(zhuǎn)換成‘硬’X射線，亮度比肩大型裝置產(chǎn)生的X射線。對實驗條件進一步優(yōu)化后，我們甚至可以驅(qū)動X射線自由電子激光器——目前可用的最亮X射線源。”

圖1：德克薩斯大學奧斯汀分校的臺式實驗裝置。

    臺式X射線激光將為化學家和生物學家?guī)砭薮笞兏铮核麄兛梢允褂眠@種高亮度的X射線在原子精度和飛秒時間分辨率上研究物質(zhì)和生命的分子基礎，而無需使用大型的國家裝置。

    Downer說：“我們能夠產(chǎn)生的這種X射線具有飛秒量級的脈寬，分子振動和最快的化學反應就發(fā)生在這個時間尺度上。例如，這種X射線具有足夠高的能力和亮度，使我們能夠看見活體樣本中單個蛋白質(zhì)分子的原子結構。”

    Downer和他的同事利用激光—等離子體加速產(chǎn)生能量高到足以產(chǎn)生X射線的電子；該方法使用超短超強激光脈沖轟擊氣體云團，使其電離形成等離子體。Downer說：“該方法還能夠記錄自身內(nèi)部結構。首先，將電子從背景離子中分離出來，并創(chuàng)建巨大的內(nèi)部空間電荷場。接著，帶電粒子從等離子體中溢出，被空間電荷場俘獲，以接近光速的速度沿激光脈沖前進方向移動，并在空間電荷場中獲得加速。”

    該研究小組在實驗中使用了Texas拍瓦激光器，因而他們所使用的氣體密度遠遠低于前期實驗中的氣體密度。Downer說：“氣體密度越低，激光脈沖傳輸速度越快。但是，就前幾代激光器而言，如果氣體密度過低，就沒有足夠的電子注入到加速器中，因而什么也得不到。”

圖2：真空腔室的內(nèi)部布局：激光束從右側射入；氣體噴嘴放置腔室中心位置，其內(nèi)部發(fā)生電子加速。實際加速距離大約為1英寸。

    Downer說：“現(xiàn)在，2GeV加速器的可操作行已經(jīng)得到了證實，預計未來幾年內(nèi)將研發(fā)出10GeV加速器，可用于做生物學家和化學家所期望的X射線分析。我認為，實現(xiàn)10GeV電子產(chǎn)生無需重大突破。如果我們能夠保證未來幾年的研究經(jīng)費到位的話，所有這一切都可以發(fā)生?，F(xiàn)在，市場上已經(jīng)開始銷售商用拍瓦激光器。只要我們能夠做的更好，生產(chǎn)商就將可以開發(fā)出10GeV加速器模塊。然后，化學家和生物學家等終端用戶就可以獲得更多的創(chuàng)新和發(fā)現(xiàn)。我還相信，未來十年內(nèi)就可以研發(fā)出類似規(guī)模（幾厘米長）的20GeV加速器。”

    成功將電子加速到2GeV，讓驅(qū)動X射線自由電子激光器成為了可能，是科學領域的一大突破，同時2GeV加速器的可操作性也將為生化學和化學領域帶動一定的技術變革，從而促使他們獲得更好更大的發(fā)現(xiàn)。