X 射线自由电子激光器 (XFEL) 用于创造极端物质条件，使材料科学、热致密物质研究和药物开发等领域的基础研究成为可能。目前，这种激光器是庞然大物，需要耗资数十亿美元的千米级装置。英国斯特拉斯克莱德大学的研究人员现在提出了基于等离子体尾场加速器 (PWFA) 的小型化 XFEL 的新蓝图。这种只有几米大小的设备可能预示着下一代超紧凑 XFEL 的出现。

首席研究员Fahim Habib解释道：FEL 包含相对论电子束，在具有交变磁场的‘波荡器’内以正弦路径摆动，由于摆动运动，电子束发出光子爆发，正反馈效应将电子束构造成辐射波长的微束。

这种聚束的结果是辐射功率沿着波荡器呈指数增长并变得高度相干。然而，这种自组织效应只有在电子束在相对论能量下具有高质量时才会发生。如今，使用直线加速器 (linacs) 可以实现如此高的光束质量，这使得 XFEL 长达数公里。

基于等离子体的加速器

基于等离子体的加速器可以在更短的距离（仅几厘米）内产生这种数千兆电子伏 (GeV) 的光束，光束质量接近 XFEL 所需的光束质量。Habib 及其同事现已表明，来自等离子体光电阴极的电子束可能比直线加速器中产生的电子束要亮得多，并且可以在 PWFA 中产生。

韦克菲尔德加速器通过将密集的带电粒子束（如电子）发射到静止的等离子体（本质上是电离粒子的气体）中来运行。电子束将负电荷（电子）与目标中静止的背景离子分开，从而产生短的尾随等离子体波。与这种等离子波相关的电场会加速尾流中的带电粒子，这就是术语尾场的来源。如果尾随的带电粒子束的时间安排得当，它可以冲浪并急剧加速——在几厘米的距离内达到 GeV 的动能。然而，光束质量远达不到 XFEL 的要求

由 Habib 及其同事开发的先进 PWFA 配备了一种称为等离子体光电阴极（又名“特洛伊木马”）的新型电子注入方法，由于电子束的低动量扩散分布，它可以产生比直线加速器亮度高 100,000 倍的电子束。

整个系统只有几米大小

在他们的工作中，研究人员研究了如何在不损失电荷和质量的情况下提取、传输、隔离来自等离子体光电阴极 PWFA 的超高亮度电子束并将其注入波荡器。聚焦到一个波荡器中，超高质量的电子束在飞行中产生强大的埃波长的相干光子脉冲，脉冲持续时间在阿秒级，令人惊喜的是，与最先进的千米级 XFEL 机器相比，整个系统的尺寸只有几米。

结果是迈向下一代超紧凑 XFEL 的第一个里程碑。研究人员的愿景是将这项技术发展成为大学级实验室甚至医院的标准工具。

PWFA 中等离子体光电阴极注入的第一个实验证据是与他们的战略合作伙伴斯坦福 SLAC FACET 设施的特洛伊木马合作中获得的。现在，通过他们在后续设施SLAC FACET-II的计划，他们的目标是在光束质量和稳定性方面开发该计划的真正潜力。