美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的科學家與特拉維夫大學系統公司的科學家合作開展新研究，讓更小、更便宜的X射線自由電子激光器(XFEL)離現實更近一步。

杰倫·范·蒂爾伯格、薩姆·巴伯和卡爾·施羅德俯身靠近連接激光等離子體加速器(位于他們身后)和下游波蕩器的彎道磁鐵。電子束在彎道中的偏移可以阻擋剩余的激光，同時在時間上分離不同能量的電子，以減少能量的分散。 (圖片來源：Thor Swift/伯克利實驗室)

XFEL是強大的光源，常作為大型研究儀器，科學家借助它在原子層面探索自然奧秘，推動醫學、生物學、物理學、材料學等領域進步。研發更緊湊、更便宜的XFEL，有望增加應用該技術的設施數量，極大擴展其在眾多科學領域的影響力。

伯克利實驗室加速器技術與應用物理(ATAP)部門研究員薩姆·巴伯是發表在《物理評論快報》上相關新研究的第一作者，該研究其他合著者包括伯克利實驗室的杰倫·范·蒂爾伯格、卡爾·施羅德以及特拉維夫大學系統公司的科學家。巴伯表示：“作為這項工作的一部分，我們正在運用在激光等離子體加速這一先進加速器方面的長期專業知識來縮小XFEL的尺寸。除了獨立的光源外，來自等離子體加速器的超高質量電子束也可注入現有的XFEL中，顯著提升其性能。”

在新研究中，研究人員推進了利用激光等離子體加速器(LPA)產生高質量電子束的技術。等離子體是由帶正電的離子和帶負電的電子組成的氣體。伯克利實驗室激光加速器(BELLA)中心高級科學家范·蒂爾伯格解釋，傳統方法是將射頻波泵入長長的直線加速器來加速電子束，而他們的方法是在等離子體中激發出電子密度波，讓其他背景等離子體電子在其中馳騁，加速速度比在加速器中快1000倍。

傳統直線加速器的電子束加速增益每米僅約50兆伏，而使用等離子體，每米100千兆伏(GeV)的加速增益是前者的1000倍以上，可縮短加速器距離。范蒂爾伯格稱：“這意味著產生多GeV電子束，不需要一公里物理空間，只需幾米甚至更短距離即可到達。”

達到高能量只是方案一部分，XFEL還需極高質量電子束。若控制得當，等離子體的高場將大有裨益。滿足這兩個條件，當電子束穿過被稱為波蕩器磁鐵的特殊磁性裝置時，擺動的電子束會開始輻射。若條件合適，輻射在沿波蕩器移動時會呈指數級放大，形成地球上最明亮的X射線源之一。