美国SLAC国家加速器实验室的研究人员宣布在开发下一代X射线自由电子激光脉冲更明亮和更稳定的技术方面迈出了重要的一步，光束性能将实现巨大飞跃。

       研究人员呈现了一个在1.2 Å波长下运行的稳定、低损耗、大型X射线腔的实验演示。该腔体由四个单独的高反射率单金刚石布拉格镜组成，排列成矩形结构，往返距离为14.2米。来自X射线自由电子激光器的飞秒X射线脉冲通过传输相位光栅耦合到腔体中。该实验展示了通过引入腔体聚焦可以维持稳定模式，并且测得往返效率接近88%，在不考虑光栅和透镜损耗时往返效率超过96%，接近布拉格镜的理论性能极限。直接观察到持续稳定的X射线循环提供了迄今为止最直接的证据，即基于腔体的X射线自由电子激光器和其他基于腔体的硬X射线系统的可行性。

       相关研究内容以“Low-loss stable storage of 1.2 Å X-ray pulses in a 14 m Bragg cavity”为题发表在《Nature Photonics》上。

图1. 腔体光学与诊断的实验示意图

       金刚石镜为难点

       使用晶体（包括合成金刚石晶体）作为镜子来平滑并帮助放大腔内 X 射线脉冲的想法已经存在了很长时间，但如何生产足够高质量的金刚石镜，以及如何将它们以足够的精度排列以引导 X 射线绕过腔体是研究人员所面临的问题。

       图2. 实验装置的形状大致像一个杠铃，两端有两个方形的真空室，由束管连接。X 射线脉冲通过一根管道从前腔室传播到后腔室，然后通过另一根管道回到前腔室，完成一个 46 英尺的循环。腔内的金刚石镜将脉冲精确地引导到正确的路径上。

       图源：SLAC国家加速器实验室

       图3. 其中一个腔真空室的俯视图。在左上角和左下角可以看到两块金刚石镜，每块都安装在四个电机上，控制其角度和位置。右上角，将X 射线脉冲带入腔室的精密金刚石光栅安装在屏幕支架上。

       图源：SLAC国家加速器实验室

       制造完美的金刚石镜

       合成、选择和塑造金刚石镜本身就是一项巨大的工作。

       这些金刚石由日本理化学研究所SPring-8中心的XFEL部门负责人、X射线研究中的金刚石界权威Kenji Tamasaku与行业合作伙伴合作制备。Tamasaku表示，生长足够纯净以进行X射线研究的金刚石晶体非常棘手，因为它们必须在高温高压下生长，而条件的轻微变化都可能会干扰晶体的生长。

       该团队首先使用 SPring-8 的 X 射线显微镜和SLAC的斯坦福同步辐射光源仔细检查每个晶体，并挑选晶体结构中缺陷最少的晶体。然后他们确定了这些晶体中没有缺陷的区域，以加工成镜。

       天然金刚石质量无法媲美

       几乎完美的金刚石晶体小块通过激光切割，首先切成块状，然后切成大约五分之一英寸（约5 mm）长的S形状，然后进行高光泽抛光。此外，这些镜子具有可以夹紧到实验装置上而不会对镜子本身造成应力的标签。

       图4. 其中一块金刚石镜，边长约为五分之一英寸（约5 mm）。

       图源：SLAC国家加速器实验室

       图5. 精密金刚石光栅（橙色和绿色方块）用于将 X 射线带入和带出 X 射线腔。室内光线从其复杂蚀刻的纳米结构上反射出来，产生了我们所看到的颜色，就像大气中的水滴将光线折射成彩虹一样。从不同角度观察时，光栅的颜色会发生变化。

       图源：SLAC国家加速器实验室

       总结

       该实验的目的是了解 X 射线激光脉冲在腔内循环的时间和效率。LCLS 激光脉冲通过斯坦福大学校园制作的精密金刚石光栅以每秒 120 次的速度进入装置。它们依次撞击每个金刚石镜，最多可跑 60 圈，每圈约 46 英尺长，然后消散。研究人员表示，腔体设置内的往返效率超过96%，接近理论反射镜性能极限，足以支持高质量的 X 射线激光束。

       该研究的最终目标是在空腔中存储和循环 X 射线脉冲，然后将它们发送通过波荡器，以伴随电子束穿过磁铁。据研究人员所说，重复这个循环10到100次应该会产生像如今的光学激光束一样相干和稳定的X射线激光束。

       原文：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01267-0

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