電子源的未來方向：激光技術成重點

　　近日，美國能源部科學辦公室發布報告《電子源的未來》，指出了未來X射線自由電子激光(XFEL)、超快電子衍射(UED)和超快電子顯微鏡(UEM)的電子源需求和研發機遇。

　　下一代儀器的開發，從硬X射線自由電子激光到超快電子散射儀器，將強烈依賴于電子源的突破性進展。2016年9月8日到9日，基礎能源科學(BES)辦公室在斯坦福直線加速器中心(SLAC)國家加速器實驗室舉辦了未來電子源研討會，旨在確定未來XFEL、UED和UEM的電子源需求和未來的研發機遇，來自美國國家實驗室、學術界和國際機構的60多名專家參加了研討會。《電子源的未來》報告是該研討會的總結。

　　報告指出，電子源的所有主要技術領域的進步需要滿足未來的X射線和電子散射儀器的需求，納米技術和通過設計制出的材料在改變光電陰極方面具有很大的前景，槍技術需要取得更好的進展以保持初始束流的亮度。報告確定了4個優先研究方向。

　　1、高亮度束流的下一代陰極研發。高亮度束流的兩個關鍵因素是發射時的縱向和橫向能量，它們可通過多種方式實現減少10倍以上，包括材料工程、冷卻陰極基板和激光波長調諧。在真正的槍環境中對先進光電陰極進行測試，對將這項研究轉化為電子束質量的直接改進至關重要。此外，探索使用納米和微米光電發射器，可大大提高束流相干性。從頭計算陰極設計可以實現具有定制特性的光電陰極，從而使高亮度束流獲得新應用。

　　2、研發連續波注入器以大幅增加陰極加速梯度和輸出束流能量。連續波注入器需要在陰極加速梯度和電子束能量上都提高兩倍以上,以產生和保持XFEL和單發UEM所需的高亮度電子束。要解決這些挑戰性的需求，需要在銅材料和射頻超導連續波注入器技術上取得重大進展。應該進行從頭到尾的模擬計算來縮小技術選擇。

　　3、下一代電子源的高梯度研發。脈沖電子槍的特征是具有非常高的初始加速梯度(100兆伏/米量級)，相對低的重復率(約200赫茲)和平均束電流。新型結構和材料的進展有望實現兩倍以上的源電場，并記錄高峰值亮度。

　　4、先進加速器和束流調控概念的研發。建議開發基于先進加速器概念(如激光或束等離子體尾場或太赫茲波)的電子槍，因為它們可能會實現吉伏/米量級的注入場。先進相空間束流調控方案的應用可以將XFEL的技術風險和成本降低一個數量級以上。

　　除了上述的優先研究方向之外，還應該研究束流診斷、束流動力學和激光技術。電子源及相關技術的進展將使新型儀器和設備得以實現，從而能在基礎的時空尺度上對物質進行研究，再次引發X射線和電子散射科學的革命。