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換成相幹輻射的激光器件，可應用在眾(zhong) 多領域，具有廣闊的市場應用前景，而要想自由驅動自由電子激光器，就必須對電子進行加速。科學家們(men) 一直嚐試各種方法刺激電子，最近，他們(men) 利用拍瓦激光器成功將電子加速到2GeV。

       激光—等離子體(ti) 加速的想法，於(yu) 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(cong) 上世紀90年代開始，科學家一直嚐試在實驗上驗證這一概念，但是受到激光器功率的限製，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(nei) 將約5億(yi) 個(ge) 電子加速到2 GeV。研究結果發表在《自然•通訊》雜誌（Nat. Commun. 4, 1988）上。

    Downer說：“到目前為(wei) 止，將電子加速到2 GeV這一級別的能量需要長度超過2個(ge) 足球場的傳(chuan) 統加速器，而我們(men) 實驗中所用的設備尺寸縮減了近10,000倍。2GeV加速器產(chan) 生的電子可以轉換成‘硬’X射線，亮度比肩大型裝置產(chan) 生的X射線。對實驗條件進一步優(you) 化後，我們(men) 甚至可以驅動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台式實驗裝置。

    台式X射線激光將為(wei) 化學家和生物學家帶來巨大變革：他們(men) 可以使用這種高亮度的X射線在原子精度和飛秒時間分辨率上研究物質和生命的分子基礎，而無需使用大型的國家裝置。

    Downer說：“我們(men) 能夠產(chan) 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生在這個(ge) 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(men) 能夠看見活體(ti) 樣本中單個(ge) 蛋白質分子的原子結構。”

    Downer和他的同事利用激光—等離子體(ti) 加速產(chan) 生能量高到足以產(chan) 生X射線的電子；該方法使用超短超強激光脈衝(chong) 轟擊氣體(ti) 雲(yun) 團，使其電離形成等離子體(ti) 。Downer說：“該方法還能夠記錄自身內(nei) 部結構。首先，將電子從(cong) 背景離子中分離出來，並創建巨大的內(nei) 部空間電荷場。接著，帶電粒子從(cong) 等離子體(ti) 中溢出，被空間電荷場俘獲，以接近光速的速度沿激光脈衝(chong) 前進方向移動，並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(men) 所使用的氣體(ti) 密度遠遠低於(yu) 前期實驗中的氣體(ti) 密度。Downer說：“氣體(ti) 密度越低，激光脈衝(chong) 傳(chuan) 輸速度越快。但是，就前幾代激光器而言，如果氣體(ti) 密度過低，就沒有足夠的電子注入到加速器中，因而什麽(me) 也得不到。”

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

    Downer說：“現在，2GeV加速器的可操作行已經得到了證實，預計未來幾年內(nei) 將研發出10GeV加速器，可用於(yu) 做生物學家和化學家所期望的X射線分析。我認為(wei) ，實現10GeV電子產(chan) 生無需重大突破。如果我們(men) 能夠保證未來幾年的研究經費到位的話，所有這一切都可以發生。現在，市場上已經開始銷售商用拍瓦激光器。隻要我們(men) 能夠做的更好，生產(chan) 商就將可以開發出10GeV加速器模塊。然後，化學家和生物學家等終端用戶就可以獲得更多的創新和發現。我還相信，未來十年內(nei) 就可以研發出類似規模（幾厘米長）的20GeV加速器。”

    成功將電子加速到2GeV，讓驅動X射線自由電子激光器成為(wei) 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(wei) 生化學和化學領域帶動一定的技術變革，從(cong) 而促使他們(men) 獲得更好更大的發現。