20 年來，物理學家一直在努力使粒子加速器小型化——作為原子粉碎機和 X 射線源的巨大機器。這項努力邁出了一大步，因為中國的物理學家使用小型“等離子體尾流加速器”為一種稱為自由電子激光器 (FEL) 的激光器提供動力。12 米長的 FEL 遠不及它幾公里長的前輩。不過，其他研究人員表示，該實驗標志著微型加速器的重大進步。“

很多 科學家會這樣看，“是的，這非常令人印象深刻!” 勞倫斯伯克利國家實驗室的激光等離子體物理學家 Jeroen van Tilborg 說，他沒有參與這項工作。研究新 FEL 的上海光學精密機械研究所 (SIOM) 物理學家 Ke Feng 并沒有聲稱它已準備好用于應用。“讓這些設備變得有用和微型一直是我們的目標，”馮說，“但還有很多工作要做。”

粒子加速器是無數(shù)科學領域的主力軍，它發(fā)射出基本粒子并產生強烈的 X 射線束用于生物分子和材料的研究。這種加速器長達數(shù)公里，耗資 10 億美元或更多。這是因為在傳統(tǒng)的加速器中，電子等帶電粒子只能以如此快的速度獲得能量。這些粒子以緊密的束狀聚集在一起，穿過真空管并穿過與微波產生共振的空腔。就像海浪推動沖浪者一樣，這些微波推動電子并增加它們的能量。然而，如果微波中的振蕩電場變得太強，就會引發(fā)破壞性的火花。因此，粒子每米腔可以獲得最大約 100 兆電子伏特 (MeV) 的能量。

為了在更短的距離內加速粒子，物理學家需要更強的電場。將激光脈沖發(fā)射到氦氣等氣體中是產生它們的一種方法。光從原子上撕下電子，產生電離海嘯，在氣體中移動，接著是產生極強電場的漣漪電子尾跡。該尾波場可以在幾厘米內捕獲電子并將它們加速到 1000 MeV。

希望利用尾波場的物理學家已經證明，它們可以產生非常短而強烈的電子爆發(fā)。但是在一次爆發(fā)中，這些電子的能量通常會有幾個百分點的變化，對于大多數(shù)實際應用來說太大了。現(xiàn)在，SIOM 物理學家 Wentao Wang、Feng 及其同事已經將等離子體尾流場加速器的輸出提高到足以用它做一些可能有用的事情：為 FEL 提供動力。

在 FEL 中，物理學家將電子發(fā)射到真空管并通過稱為波蕩器的線路設備。在波動器內，光束管上方和下方的小磁鐵像牙齒一樣排成一排，相鄰磁鐵的北極上下交替。當電子通過波蕩器時，波紋磁場來回搖晃它們，使它們發(fā)光。隨著光的積累并與電子束一起傳播，它將電子推回并將它們分成子束，然后協(xié)同輻射以將光放大成激光束。

世界上第一臺 X 射線激光器——直線加速器相干光源 (LCLS) 于 2009 年在 SLAC 國家加速器實驗室亮相，它是一種 FEL，由該實驗室著名的 3 公里長的直線加速器提供動力。歐洲和日本的研究人員也建造了大型 X 射線 FEL。但是，通過將來自等離子體尾流場加速器的電子束發(fā)射到三個 1.5 米長的波蕩器鏈中，SIOM 團隊制造了一個足夠小的 FEL，以適應一個長房間。

為了實現(xiàn)這一點，SIOM 物理學家必須將電子能量的擴散縮小到 0.5%。王說，他們成功地優(yōu)化了激光和氣體目標，以更好地控制電子的加速度，使它們更平穩(wěn)地沿真空管向下傳送。van Tilborg 說，美國和歐洲的團隊已經探索了更復雜的過濾特定能量電子的方案，但 SIOM 團隊采用了更簡單的方法。“一切都只是稍微優(yōu)化了一點，”他說。

其他人以前曾使用等離子尾波加速器將光從波蕩器中引出。但他們本周在《自然》雜志上報告說，Wang 及其同事證明了放大，顯示第三個波動器中的光強度增加了 100 倍。“這是向前邁出的一大步，”SLAC 的加速器物理學家 Agostino Marinelli 說。

微小的 FEL 與其更大的兄弟相去甚遠，后者產生的光束比其他 X 射線源亮數(shù)十億倍，能量擴散低至 0.1%。新的 FEL 產生更微弱的更長波長紫外線脈沖，能量分布為 2%。SLAC 研究人員也在升級 LCLS，以每秒產生數(shù)百萬個脈沖;新型 FEL 每秒可產生 5 個。

Marinelli 預測，要使用該設備達到 X 射線波長將很困難。“這些結果非常令人印象深刻，但我會非常小心地將其推斷為 X 射線能量，” 不過，SIOM 團隊表示，這就是他們的目標。“很難說達到硬 X 射線波長需要多長時間，可能需要十年或更長時間，”SIOM 物理學家和團隊成員 Ruxin Li 說。“我們期待那一天。”