AttoSHINE自啁啾過(guò)程示意結(jié)構(gòu)圖及其對(duì)應(yīng)的電子束縱向相空間演化過(guò)程

阿秒X射線脈沖是研究凝聚態(tài)體系、分子體系及強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料中超快電子動(dòng)力學(xué)的重要工具，可同時(shí)提供原子尺度的空間選擇性與阿秒級(jí)時(shí)間分辨率。近年來(lái)，自由電子激光技術(shù)持續(xù)發(fā)展，將X射線脈沖長(zhǎng)度從飛秒量級(jí)推進(jìn)至阿秒量級(jí)，拓展了超快X射線科學(xué)研究能力。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院聯(lián)合德國(guó)電子同步加速器研究所，在阿秒X射線研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出，依托上海硬X射線自由電子激光裝置(SHINE)，通過(guò)優(yōu)化直線加速器、束流分配及波蕩器的工作參數(shù)，可在軟X射線和硬X射線波段穩(wěn)定產(chǎn)生兆赫茲重復(fù)頻率、太瓦級(jí)峰值功率的阿秒X射線脈沖。

研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)論證了我國(guó)首臺(tái)連續(xù)波X射線自由電子激光裝置SHINE具備在兆赫茲重復(fù)頻率下，穩(wěn)定輸出高強(qiáng)度阿秒X射線脈沖的潛力，并提出了“自啁啾”方案，即在依托SHINE基準(zhǔn)硬件配置的基礎(chǔ)上，僅通過(guò)優(yōu)化調(diào)整束流動(dòng)力學(xué)，可實(shí)現(xiàn)高峰值功率阿秒X射線脈沖的產(chǎn)生。該方案的核心機(jī)制為：利用縱向空間電荷力與相干同步輻射效應(yīng)等電子束自身的集體效應(yīng)，在束團(tuán)內(nèi)部形成強(qiáng)能量啁啾，進(jìn)而通過(guò)束流分配線對(duì)電子束進(jìn)行極端縱向壓縮，形成超短的10kA峰值流強(qiáng)尖峰，從而輻射出強(qiáng)度大幅提升的阿秒X射線脈沖。研究表明，在自由電子激光進(jìn)入飽和狀態(tài)后，超輻射效應(yīng)可進(jìn)一步壓縮X射線脈沖長(zhǎng)度，并顯著提升其峰值功率。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，在考慮超導(dǎo)模組射頻相位抖動(dòng)等實(shí)際運(yùn)行條件的情況下，SHINE在硬X射線波段(6keV)可產(chǎn)生平均脈寬約300阿秒、峰值功率約0.8太瓦的X射線脈沖;在1keV軟X射線波段，可實(shí)現(xiàn)平均脈寬約470阿秒、峰值功率達(dá)太瓦量級(jí)的輸出。

該研究為高重頻、高峰值功率阿秒X射線光源發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑，且上海硬X射線自由電子激光裝置有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)阿秒級(jí)時(shí)間分辨率與兆赫茲重復(fù)頻率，進(jìn)而提升平均譜亮度。未來(lái)，該技術(shù)有望促進(jìn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料中電子動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展，并為量子相干X射線譜學(xué)及生物、化學(xué)體系的原子尺度超快成像提供新的實(shí)驗(yàn)手段。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《超快科學(xué)》(Ultrafast Science)上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院的支持。

審核編輯 黃宇