美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家与特拉维夫大学系统公司的科学家合作开展新研究，让更小、更便宜的X射线自由电子激光器(XFEL)离现实更近一步。

杰伦·范·蒂尔伯格、萨姆·巴伯和卡尔·施罗德俯身靠近连接激光等离子体加速器(位于他们身后)和下游波荡器的弯道磁铁。电子束在弯道中的偏移可以阻挡剩余的激光，同时在时间上分离不同能量的电子，以减少能量的分散。 (图片来源：Thor Swift/伯克利实验室)

XFEL是强大的光源，常作为大型研究仪器，科学家借助它在原子层面探索自然奥秘，推动医学、生物学、物理学、材料学等领域进步。研发更紧凑、更便宜的XFEL，有望增加应用该技术的设施数量，极大扩展其在众多科学领域的影响力。

伯克利实验室加速器技术与应用物理(ATAP)部门研究员萨姆·巴伯是发表在《物理评论快报》上相关新研究的第一作者，该研究其他合著者包括伯克利实验室的杰伦·范·蒂尔伯格、卡尔·施罗德以及特拉维夫大学系统公司的科学家。巴伯表示：“作为这项工作的一部分，我们正在运用在激光等离子体加速这一先进加速器方面的长期专业知识来缩小XFEL的尺寸。除了独立的光源外，来自等离子体加速器的超高质量电子束也可注入现有的XFEL中，显著提升其性能。”

在新研究中，研究人员推进了利用激光等离子体加速器(LPA)产生高质量电子束的技术。等离子体是由带正电的离子和带负电的电子组成的气体。伯克利实验室激光加速器(BELLA)中心高级科学家范·蒂尔伯格解释，传统方法是将射频波泵入长长的直线加速器来加速电子束，而他们的方法是在等离子体中激发出电子密度波，让其他背景等离子体电子在其中驰骋，加速速度比在加速器中快1000倍。

传统直线加速器的电子束加速增益每米仅约50兆伏，而使用等离子体，每米100千兆伏(GeV)的加速增益是前者的1000倍以上，可缩短加速器距离。范蒂尔伯格称：“这意味着产生多GeV电子束，不需要一公里物理空间，只需几米甚至更短距离即可到达。”

达到高能量只是方案一部分，XFEL还需极高质量电子束。若控制得当，等离子体的高场将大有裨益。满足这两个条件，当电子束穿过被称为波荡器磁铁的特殊磁性装置时，摆动的电子束会开始辐射。若条件合适，辐射在沿波荡器移动时会呈指数级放大，形成地球上最明亮的X射线源之一。