電子源的未來方向：激光技術(shù)成重點

　　近日，美國能源部科學(xué)辦公室發(fā)布報告《電子源的未來》，指出了未來X射線自由電子激光(XFEL)、超快電子衍射(UED)和超快電子顯微鏡(UEM)的電子源需求和研發(fā)機遇。

　　下一代儀器的開發(fā)，從硬X射線自由電子激光到超快電子散射儀器，將強烈依賴于電子源的突破性進展。2016年9月8日到9日，基礎(chǔ)能源科學(xué)(BES)辦公室在斯坦福直線加速器中心(SLAC)國家加速器實驗室舉辦了未來電子源研討會，旨在確定未來XFEL、UED和UEM的電子源需求和未來的研發(fā)機遇，來自美國國家實驗室、學(xué)術(shù)界和國際機構(gòu)的60多名專家參加了研討會?！峨娮釉吹奈磥怼穲蟾媸窃撗杏憰目偨Y(jié)。

　　報告指出，電子源的所有主要技術(shù)領(lǐng)域的進步需要滿足未來的X射線和電子散射儀器的需求，納米技術(shù)和通過設(shè)計制出的材料在改變光電陰極方面具有很大的前景，槍技術(shù)需要取得更好的進展以保持初始束流的亮度。報告確定了4個優(yōu)先研究方向。

　　1、高亮度束流的下一代陰極研發(fā)。高亮度束流的兩個關(guān)鍵因素是發(fā)射時的縱向和橫向能量，它們可通過多種方式實現(xiàn)減少10倍以上，包括材料工程、冷卻陰極基板和激光波長調(diào)諧。在真正的槍環(huán)境中對先進光電陰極進行測試，對將這項研究轉(zhuǎn)化為電子束質(zhì)量的直接改進至關(guān)重要。此外，探索使用納米和微米光電發(fā)射器，可大大提高束流相干性。從頭計算陰極設(shè)計可以實現(xiàn)具有定制特性的光電陰極，從而使高亮度束流獲得新應(yīng)用。

　　2、研發(fā)連續(xù)波注入器以大幅增加陰極加速梯度和輸出束流能量。連續(xù)波注入器需要在陰極加速梯度和電子束能量上都提高兩倍以上,以產(chǎn)生和保持XFEL和單發(fā)UEM所需的高亮度電子束。要解決這些挑戰(zhàn)性的需求，需要在銅材料和射頻超導(dǎo)連續(xù)波注入器技術(shù)上取得重大進展。應(yīng)該進行從頭到尾的模擬計算來縮小技術(shù)選擇。

　　3、下一代電子源的高梯度研發(fā)。脈沖電子槍的特征是具有非常高的初始加速梯度(100兆伏/米量級)，相對低的重復(fù)率(約200赫茲)和平均束電流。新型結(jié)構(gòu)和材料的進展有望實現(xiàn)兩倍以上的源電場，并記錄高峰值亮度。

　　4、先進加速器和束流調(diào)控概念的研發(fā)。建議開發(fā)基于先進加速器概念(如激光或束等離子體尾場或太赫茲波)的電子槍，因為它們可能會實現(xiàn)吉伏/米量級的注入場。先進相空間束流調(diào)控方案的應(yīng)用可以將XFEL的技術(shù)風險和成本降低一個數(shù)量級以上。

　　除了上述的優(yōu)先研究方向之外，還應(yīng)該研究束流診斷、束流動力學(xué)和激光技術(shù)。電子源及相關(guān)技術(shù)的進展將使新型儀器和設(shè)備得以實現(xiàn)，從而能在基礎(chǔ)的時空尺度上對物質(zhì)進行研究，再次引發(fā)X射線和電子散射科學(xué)的革命。