来自超冷源的亚皮秒电子束的首次实验观察

识别更快地产生电子的新来源可能有助于推进许多依赖电子的成像技术。在最近发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，埃因霍温理工大学的一组研究人员展示了来自超冷电子源的亚皮秒电子束的散射。

“我们的研究小组正在努力开发下一代超快电子源，将超快电子衍射等成像技术推向一个新的水平，”进行这项研究的研究人员之一Tim de Raadt告诉 Phys.org。

“使用激光冷却的超冷气体云作为电子源来提高亮度的最新水平的想法首次在2005年发表的一篇论文中提出。从那时起，研究工作已经产生了这种超冷电子源的多个版本，最新的一个(用于这项工作)专注于使源紧凑，易于对准和操作，并且更稳定，正如另一篇过去的论文所描述的那样，该论文也研究了横向电子束特性。

de Raadt及其同事最近工作的主要目标是进一步评估他们先前工作中确定的紧凑型激光冷却超冷源类型的性能，特别是观察其纵向光束特性。通过更好地了解该源背后的物理特性，他们可以优化其性能并使其能够用于推进成像技术。

研究人员的来源是通过两步过程在光栅磁光阱中光电离激光冷却的铷气体创建的。在该源的自压缩点，他们测量了短至735±7 fs(rms)的电子束。

“我们在电子束长度最短的位置向电子束发射非常强烈的飞秒激光脉冲，”de Raadt解释说。“当激光脉冲击中电子时，它可以将它们散射出束，这被称为'思考性散射'。使用光束线末端的电子相机，我们可以看到这些被踢出束的电子，作为两条条纹从电子束中出来。

如果研究人员过早或太晚将激光脉冲射到电子束上，他们就不会击中它，因此无法看到所需的向外电子散射。在他们的实验中，他们试图通过缓慢改变激光脉冲发射和电子束之间的延迟时间来确定他们能够散射这些电子多长时间(即测量电子束的长度)。这个实验表明，源自其来源的电子束处于亚皮秒尺度，这是以前从未观察到的。

“我们发现纵向光束质量(发射率)不受电子温度的限制，就像横向光束质量(发射率)一样，而是受到电离过程(电子离开原子的方式)和能量扩散的组合，”de Raadt说。

“此外，由于事实证明电离过程本身需要大约一皮秒，因此我们没有必要使用飞秒电离激光脉冲。因此，我们可以将电离激光脉冲长度增加十倍，而不会影响电子束长度(纵向质量)，这使我们能够使用更窄的波段和更精确的激光波长。这为提高横向光束质量(发射率)开辟了一条新途径。

de Raadt及其同事最近的工作突出了他们意识到的紧凑型超冷源在生产超快电子束方面的价值。此外，在进一步研究该源的物理和性质后，该团队现在可以高精度地预测其电子脉冲的短短程度。这反过来又允许他们缩短这些脉冲，以牺牲能量通过源传播为代价，反之亦然。

在未来，这组研究人员收集的发现可以为高性能成像技术的发展铺平道路，这些技术可以推动许多领域的研究。在接下来的研究中，de Raadt和他的同事们将开始探索电子源的一些最有前途的应用。

“现在，超冷电子源背后的物理学已经得到很好的理解，并且已经测量了其特性，该源正在从原理的实验证明转向可靠的电子源，”de Raadt补充道。

“这种来源可用于各种令人兴奋的应用，例如潜在的单次，超快蛋白质电子晶体学，这将是革命性的。作为一种新的新应用，该光源非常适合作为介电激光加速的注入器。因此，我们未来的研究将集中在只有使用这种来源的独特特性才能实现的应用上。

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