來源：Nature Portfolio　

研究人員可以用粒子加速器發出的光來探測物質的結構。一個實驗表明瞭如何將兩個這樣的光源（同步輻射加速器和自由電子激光器）的特性結合在一起。

數十年來，粒子加速器已經得到廣泛應用，使人們對物質的研究越來越細緻。帶電粒子在加速時會發光，利用這種現象的加速器是目前可用的最明亮的人造光源之一，使科學家能夠在前所未有的微小空間和時間尺度上探測物質的性質。鄧秀傑[1]等人在《自然》上報導了一個在加速器上進行的概念驗證性實驗，該實驗可以進一步擴展這些設備的功能，並有望應用在稱爲極紫外線光刻的下一代芯片刻蝕技術[2]和稱爲角分辨光電子能譜技術[3]的先進成像方法。

基於加速器的光源主要有同步輻射加速器（環形加速器）和自由電子激光器（線性加速器）這兩種類型。同步加速器具有很高的平均功率（每單位時間產生的光子數），並且可以產生具有可調波長和寬帶寬（波長範圍）的光脈衝。高功率之所以成爲可能，是因爲成束的粒子環繞圓形機器旋轉多次，並在它們每次穿過一系列極性交替的磁鐵（波盪器或扭擺器）時產生光。

自由電子激光器的平均功率比同步輻射加速器低，因爲它們使用電子束僅一次。然而，與同步輻射加速器產生的光相比，它們產生的光脈衝具有更小的帶寬和更高的亮度（最高可達前者100億倍[4]）。在自由電子激光器中，電子發出的輻射會反作用於這些粒子，從而使它們聚集到輻射波長大小的區域。這些“微聚束”電子產生的光波是相干的（同步），並且彼此增強以實現前述超高亮度。

圖1 | 微束電子束的輻射發射。鄧秀傑等人[1]進行了一個概念驗證性實驗，其中電子的“束”環繞同步輻加速器的環形粒子加速器運行。電子束穿過一系列極性交替的磁體（由兩種不同的顏色表示）時，橫向振盪。在此階段，作者們向電子束髮射激光脈衝，使不同的電子帶上不同的能量。然後，電子束繞行加速器一整圈。在繞行一圈之後，電子被分組爲“微束”，其距離約等於激光脈衝的波長（虛線所示）。最終，鄧和同事們檢測到了這些微聚束髮出的輻射光。

鄧秀傑和同事們的研究結果基於一個稱爲穩態微聚束[5]的概念，該概念旨在結合大功率同步輻射加速器與低帶寬、高亮度自由電子激光器的特性。通過在電子通過波盪器時向電子發射一個（常規的）激光脈衝，同步輻射加速器中的電子束在發射出輻射光波之前被迫形成微聚束（圖1）。波盪器使電子橫向振盪，激光脈衝使不同的粒子具有不同能量。

這束改造過的電子束在機器中環繞運行時，高能電子與低能電子相比，在被用來操控粒子的磁場中的偏轉更小（因此走的路徑更長），使它們向後滑動。到電子完成繞加速器運行一圈時，這種縱向滑移已導致粒子形成微束，其性質類似於用於驅動自由電子激光器的電子。這些微束之間的距離大約是入射激光脈衝的波長。

如前所述，微束電子束的相干發射產生的光脈衝，比通過非相干發射產生光的功率更高。鄧秀傑等人在位於柏林的同步加速器（Metrology Light Source，計量光源）處檢測了典型電子束產生的輻射光，隨後將該輻射光與使用新方法微束化的光束進行了比較。

在使用帶通濾波器除去殘留的非相干輻射光之後，鄧秀傑及同事們檢測到了清晰的微束信號，表明發生電子束相干輻射。他們還研究了輻射能量和束電荷的關係，發現該輻射強度與束電荷的平方成正比，作者通過改變束電荷並分析產生的輻射觀測到了這種平方關係。

儘管本文代表了在粒子加速器中生成高功率、窄帶寬光脈衝的關鍵步驟，但尚未展示出穩態微聚束。鄧秀傑秀林等人表明，繞同步加速器旋轉一圈後，微束電子束會產生相干輻射光。下一個挑戰是證明繞上許多圈仍可實現該成果。這很難通過實驗完成，原因有三：

首先，縱向滑移會在多次旋轉中降低微束聚的程度。其次，爲了實現大功率（千瓦級）的穩態發射，入射激光脈衝必須與電子束在每次旋轉中都同步，並被約束在稱爲激光腔的反射裝置中。第三，如果不使用反饋迴路控制，束中電子之間的集體相互作用最終將降低輻射的功率和亮度。

最初概念有一些變體方案[5-7]可改善輻射性質，或能超越鄧秀傑秀林等人的研究結果。展現這些方案意味着巨大技術難題，但是作者的概念驗證性實驗開闢了道路，通往實現高功率、高亮度、窄帶寬且性能可能會超過當前同步加速器的光源。此外，其他類型的光源，例如開發中的存儲環自由電子激光[8]和能量回收線性加速器[9]，也許會引領下一代加速器的誕生。儘管在這些方案得到可靠證實前還有重重障礙，但作者們的發現爲未來高功率加速器光源提供了展望。