灵活的“桌面型”超快X光源- 大数跨境

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灵活的“桌面型”超快X光源

两江科技评论

2018-12-06

导读：逆康普顿散射X光源可放置在约100平方米的房间内，兼具极高的灵活性和便利性，尤其适用于一些不方便在大科学设施上进行的研究，不方便运输的艺术品鉴定、不方便移动的导弹部件缺陷检查等都可以使用该光源装置。

本文转载自悦智网

逆康普顿散射X光源可放置在约100平方米的房间内，兼具极高的灵活性和便利性，尤其适用于一些不方便在大科学设施上进行的研究，不方便运输的艺术品鉴定、不方便移动的导弹部件缺陷检查等都可以使用该光源装置。

有一种肉眼看不到的射线能够穿透许多在可见光下不透明的物质和物体，比如人体、木材等，广泛地应用在科研、医学等领域，这便是X光。X光是一种电磁波，波长一般位于0.01埃（1埃=10^-10米）到10纳米之间。与可见光相比，X光波长与原子间距相比拟的特性使得其可在生物分子结构解析（如DNA的双螺旋结构、非典病毒的结构确定等）和物质科学研究中提供原子尺度的分辨率。作为现代科学发展历史中最重要的科研工具之一，X光大幅提升了人们对微观世界的认知能力。自从德国科学家伦琴1895年发现X光并因此获得1901年的第一个诺贝尔物理奖以来，过去100年里有约30位科学家因为和X光有关的研究获得诺贝尔奖，其中就包括发现康普顿效应的亚瑟·霍利·康普顿。

同步辐射和自由电子激光是目前最先进的X光源，这两类大科学装置均利用高能电子束在磁铁波荡器中产生高通量的X光，装置尺寸都在数百米至数千米（如于2018年4月正式启动建设的上海硬X射线自由电子激光装置，长约3千米，总投资约95亿元人民币）。同步辐射装置采用环形布局，X光沿电子圆周轨道切线方向引出，同一个电子束产生的X光可同时供数十个束线站使用；自由电子激光装置采用直线布局，一般同一个电子束产生的X光难以同时供多个束线站使用。这两类大科学装置不仅占地规模大、投资金额高，技术复杂度也极高，一般需要倾全国之力才能建成这样的公共科研平台。

相比上述两类大科学装置，基于逆康普顿效应的桌面型X光源则不存在上述问题。逆康普顿散射X光源利用激光与相对论电子束对撞产生X光，其物理机制可理解为基于激光波荡器的自由电子激光；由于激光波荡器的周期只有磁铁波荡器的约万分之一，因此产生同样波长的X光所需的电子能量只有自由电子激光的百分之一，大幅降低了此类装置的规模和造价。逆康普顿散射X光源（见图1）可放置在约100平方米的房间，具有极大的灵活性，尤其适用于一些不方便在大科学设施上进行的研究，如不方便运输的艺术品鉴定、不方便移动的导弹部件缺陷检查等。此外，逆康普顿散射中用于和电子对撞产生X光的激光也可作为泵浦脉冲用于激发动力学过程，这使得逆康普顿散射产生的X光和泵浦激光有着严格的时间同步关系，非常适合于高时间分辨率的泵浦-探测实验。

目前逆康普顿散射X光源的光子产额虽然偏低，但是却有着很大的提升空间。分析表明，对于包含N个电子的电子束，其总的辐射场可表示为单个电子辐射场的矢量叠加，而整个电子束团的辐射功率为电场模的平方。对于波长远小于电子束长度的非相干辐射，由于各电子产生的辐射场不存在固定的相位关系，对各电场的求和类似于随机行走（见图2上），N步以后距离原点的距离正比于N^1/2，对应的辐射功率正比于N；而对于间隔为辐射波长的微束团产生的相干辐射，类似于每步都沿相同方向前进（见图2下），N步以后距离原点的距离正比于N，对应的辐射功率正比于N²。由于N一般为很大的数（比如0.16 纳库电子束对应的电子个数为N=10⁹），因此相干辐射相比非相干辐射在辐射功率上会有量级的提升，这也是自由电子激光比同步辐射亮度高数个量级的原因。

在自由电子激光中，间隔为X光波长的微束团是通过电子束与X光的持续相互作用，在近百米长的磁铁波荡器中逐步形成的。为了产生并维持这些纳米间隔的微束团，电子束的几何发射度（描述电子束相空间体积）一般需要小于X光波长，电子束能散一般需要在千分之一以下，同时电子束的峰值电流需要在1000安培以上，这些苛刻的条件目前只有千兆电子伏的高能电子束才能满足；因此过去人们广泛认为，要利用能量低两个量级的电子束形成微束团并在逆康普顿散射中激发相干辐射，面临着极大的挑战。

但事实上，人们忽略了这样一个现象：由于逆康普顿散射采用激光波荡器，电子束和激光的有效作用距离仅约1厘米，比传统自由电子激光所需的近百米磁铁波荡器短了4个量级，因此在逆康普顿散射中，只需要在1厘米的区域内维持纳米间隔的微束团即可，这在一定程度上弥补了逆康普顿散射所使用的电子束能量低、几何发射度大的缺点。近年来，随着加速器技术和激光技术的进步，通过产生微束团激发相干辐射大幅提高逆康普顿散射光子产额的可能性正在逐步提高：比如利用激光调制预聚束技术，有望在电子束中产生包含X光分量的密度调制，利用纳米阴极结合相空间交换技术也有望产生间隔为X光波长的微束团。以回声型激光调制预聚束技术为例，其利用两个调制段和两个色散元件在电子束中产生包含极高频率的密度调制。如图3所示，激光首先在第一个调制段中产生周期为激光波长的能量调制（见图3左上）；随后电子束经过第一个强色散元件后，初始的能量调制在宏观上被全部抹掉，同时在微观上引入高阶的相关性（见图3右上）；进一步进行第二次能量调制（见图3左下）并经过第二个弱色散元件后，密度调制在消失后会重新产生，类似于回声（见图3右下）。需要指出的是，重新产生的密度调制包含很多尖峰，对应着频率下极高次数的激光谐波，有望从紫外激光出发形成X光波段的微束团；目前实验中已经产生激光的75次谐波，相信在未来几年谐波次数还能获得进一步的提高。

在过去的一个世纪中，从X光管到同步辐射再到自由电子激光，X光源的峰值亮度提高了超过30个数量级，X光源的亮度正在逐步趋近物理极限。与这些大科学装置相比，逆康普顿散射X光源还处在发展初期，未来拥有无限可能。随着各种加速器技术和激光技术的发展以及产生间隔为X光波长的微束团的瓶颈不断被突破，相信在未来5～10年里，基于逆康普顿散射的桌面型超快X光源性能将获得大幅提升，有望为X光科学开辟新的机遇。

致谢：感谢国家973 计划青年科学家专题项目“基于逆康普顿散射的高增益超快X光源若干前沿问题研究”（项目编号：2015CB859700）的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2018年9月刊。

专家简介

向导：上海交通大学物理与天文学院教授，国家973计划青年科学家专题项目首席科学家。