電子源的未來(lái)方向：激光技術(shù)成重點(diǎn)

　　近日，美國(guó)能源部科學(xué)辦公室發(fā)布報(bào)告《電子源的未來(lái)》，指出了未來(lái)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(jī)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(qiáng)烈依賴于電子源的突破性進(jìn)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(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室舉辦了未來(lái)電子源研討會(huì)，旨在確定未來(lái)XFEL、UED和UEM的電子源需求和未來(lái)的研發(fā)機(jī)遇，來(lái)自美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、學(xué)術(shù)界和國(guó)際機(jī)構(gòu)的60多名專家參加了研討會(huì)?！峨娮釉吹奈磥?lái)》報(bào)告是該研討會(huì)的總結(jié)。

　　報(bào)告指出，電子源的所有主要技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步需要滿足未來(lái)的X射線和電子散射儀器的需求，納米技術(shù)和通過(guò)設(shè)計(jì)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(jìn)展以保持初始束流的亮度。報(bào)告確定了4個(gè)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(gè)關(guān)鍵因素是發(fā)射時(shí)的縱向和橫向能量，它們可通過(guò)多種方式實(shí)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(zhǎng)調(diào)諧。在真正的槍環(huán)境中對(duì)先進(jìn)光電陰極進(jìn)行測(cè)試，對(duì)將這項(xiàng)研究轉(zhuǎn)化為電子束質(zhì)量的直接改進(jìn)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(jì)算陰極設(shè)計(jì)可以實(shí)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(jìn)展。應(yīng)該進(jìn)行從頭到尾的模擬計(jì)算來(lái)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(jí))，相對(duì)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(jìn)展有望實(shí)現(xiàn)兩倍以上的源電場(chǎng)，并記錄高峰值亮度。

　　4、先進(jìn)加速器和束流調(diào)控概念的研發(fā)。建議開發(fā)基于先進(jìn)加速器概念(如激光或束等離子體尾場(chǎng)或太赫茲波)的電子槍，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)實(shí)現(xiàn)吉伏/米量級(jí)的注入場(chǎng)。先進(jìn)相空間束流調(diào)控方案的應(yīng)用可以將XFEL的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本降低一個(gè)數(shù)量級(jí)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(dòng)力學(xué)和激光技術(shù)。電子源及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展將使新型儀器和設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)，從而能在基礎(chǔ)的時(shí)空尺度上對(duì)物質(zhì)進(jìn)行研究，再次引發(fā)X射線和電子散射科學(xué)的革命。