美國SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員宣布在開發(fā)下一代X射線自由電子激光脈沖更明亮和更穩(wěn)定的技術(shù)方面邁出了重要的一步，光束性能將實(shí)現(xiàn)巨大飛躍。

       研究人員呈現(xiàn)了一個(gè)在1.2 ?波長下運(yùn)行的穩(wěn)定、低損耗、大型X射線腔的實(shí)驗(yàn)演示。該腔體由四個(gè)單獨(dú)的高反射率單晶金剛石布拉格鏡組成，排列成矩形結(jié)構(gòu)，往返距離為14.2米。來自X射線自由電子激光器的飛秒X射線脈沖通過傳輸相位光柵耦合到腔體中。該實(shí)驗(yàn)展示了通過引入腔體聚焦可以維持穩(wěn)定模式，并且測(cè)得往返效率接近88%，在不考慮光柵和透鏡損耗時(shí)往返效率超過96%，接近布拉格鏡的理論性能極限。直接觀察到持續(xù)穩(wěn)定的X射線循環(huán)提供了迄今為止最直接的證據(jù)，即基于腔體的X射線自由電子激光器和其他基于腔體的硬X射線系統(tǒng)的可行性。

       相關(guān)研究內(nèi)容以“Low-loss stable storage of 1.2?? X-ray pulses in a 14 m Bragg cavity”為題發(fā)表在《Nature Photonics》上。

圖1. 腔體光學(xué)與診斷的實(shí)驗(yàn)示意圖

       金剛石鏡為難點(diǎn)

       使用晶體（包括合成金剛石晶體）作為鏡子來平滑并幫助放大腔內(nèi) X 射線脈沖的想法已經(jīng)存在了很長時(shí)間，但如何生產(chǎn)足夠高質(zhì)量的金剛石鏡，以及如何將它們以足夠的精度排列以引導(dǎo) X 射線繞過腔體是研究人員所面臨的問題。

       圖2. 實(shí)驗(yàn)裝置的形狀大致像一個(gè)杠鈴，兩端有兩個(gè)方形的真空室，由束管連接。X 射線脈沖通過一根管道從前腔室傳播到后腔室，然后通過另一根管道回到前腔室，完成一個(gè) 46 英尺的循環(huán)。腔內(nèi)的金剛石鏡將脈沖精確地引導(dǎo)到正確的路徑上。

       圖源：SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室

       圖3. 其中一個(gè)腔真空室的俯視圖。在左上角和左下角可以看到兩塊金剛石鏡，每塊都安裝在四個(gè)電機(jī)上，控制其角度和位置。右上角，將X 射線脈沖帶入腔室的精密金剛石光柵安裝在屏幕支架上。

       圖源：SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室

       制造完美的金剛石鏡

       合成、選擇和塑造金剛石鏡本身就是一項(xiàng)巨大的工作。

       這些金剛石由日本理化學(xué)研究所SPring-8中心的XFEL部門負(fù)責(zé)人、X射線研究中的金剛石界權(quán)威Kenji Tamasaku與行業(yè)合作伙伴合作制備。Tamasaku表示，生長足夠純凈以進(jìn)行X射線研究的金剛石晶體非常棘手，因?yàn)樗鼈儽仨氃诟邷馗邏合律L，而條件的輕微變化都可能會(huì)干擾晶體的生長。

       該團(tuán)隊(duì)首先使用 SPring-8 的 X 射線顯微鏡和SLAC的斯坦福同步輻射光源仔細(xì)檢查每個(gè)晶體，并挑選晶體結(jié)構(gòu)中缺陷最少的晶體。然后他們確定了這些晶體中沒有缺陷的區(qū)域，以加工成鏡。

       天然金剛石質(zhì)量無法媲美

       幾乎完美的金剛石晶體小塊通過激光切割，首先切成塊狀，然后切成大約五分之一英寸（約5 mm）長的S形狀，然后進(jìn)行高光澤拋光。此外，這些鏡子具有可以夾緊到實(shí)驗(yàn)裝置上而不會(huì)對(duì)鏡子本身造成應(yīng)力的標(biāo)簽。

       圖4. 其中一塊金剛石鏡，邊長約為五分之一英寸（約5 mm）。

       圖源：SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室

       圖5. 精密金剛石光柵（橙色和綠色方塊）用于將 X 射線帶入和帶出 X 射線腔。室內(nèi)光線從其復(fù)雜蝕刻的納米結(jié)構(gòu)上反射出來，產(chǎn)生了我們所看到的顏色，就像大氣中的水滴將光線折射成彩虹一樣。從不同角度觀察時(shí)，光柵的顏色會(huì)發(fā)生變化。

       圖源：SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室

       總結(jié)

       該實(shí)驗(yàn)的目的是了解 X 射線激光脈沖在腔內(nèi)循環(huán)的時(shí)間和效率。LCLS 激光脈沖通過斯坦福大學(xué)校園制作的精密金剛石光柵以每秒 120 次的速度進(jìn)入裝置。它們依次撞擊每個(gè)金剛石鏡，最多可跑 60 圈，每圈約 46 英尺長，然后消散。研究人員表示，腔體設(shè)置內(nèi)的往返效率超過96%，接近理論反射鏡性能極限，足以支持高質(zhì)量的 X 射線激光束。

       該研究的最終目標(biāo)是在空腔中存儲(chǔ)和循環(huán) X 射線脈沖，然后將它們發(fā)送通過波蕩器，以伴隨電子束穿過磁鐵。據(jù)研究人員所說，重復(fù)這個(gè)循環(huán)10到100次應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生像如今的光學(xué)激光束一樣相干和穩(wěn)定的X射線激光束。

       原文：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01267-0