等离子体尾波场加速器驱动紧凑型水窗 X 射线激光器的仿真研究

《Nature Communications》：Strong-gain water-window X-ray laser driven by plasma photocathode wakefield acceleration

　　

摘要

X射线自由电子激光器是一种大型且复杂的设备，其性能受到电子束亮度的限制。通过从头到尾的仿真，我们展示了如何基于来自等离子体尾波场加速器的超亮电子束，在水窗范围内实现紧凑型、可靠且可调谐的X射线激光器。首先，在米级等离子体尾波场加速器中，等离子体光阴极释放出超低发射度的电子束。通过调节电子束的电荷，空间电荷力在电子束场与尾波场之间达到平衡，从而减小电子束的能量扩散并提高能量稳定性——这两点对于电子束的提取、传输以及聚焦到米级谐振器中至关重要。由此产生的超亮电子束能够产生波长可调、相干且具有飞秒级脉宽的光子脉冲，并具有较高的增益。这种技术使得在宽水窗范围内可靠地产生多吉瓦级的X射线激光脉冲成为可能，同时可以通过调节电子束的电荷来实现可调谐性，并对等离子体尾波场强度的变化以及等离子体光阴极激光抖动具有较好的鲁棒性。我们的研究成果有助于让更多人能够使用相干、高功率的软X射线辐射。