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中科院电子所研制自由电子激光“台式机”，上海光机所攻克新型辐射源难关

发布时间 : 2025-03-14

作者 : 小编

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研制自由电子激光“台式机”，上海光机所攻克新型辐射源难关

目前世界上的自由电子激光（FEL）装置动辄超过千米、投资数以亿计。不过，将来这种装置可能像打印机一样，可以放在办公桌上使用。全球科学家正在为此而努力，而研制出适用于FEL“台式机”的高品质辐射源，则是其中最为关键的一步。

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场物理国家重点实验室研究团队依托于实验室自行研制的高性能200TW重频激光装置，

在台式化激光电子加速器领域首次将高能电子束能散压缩至千分之二 ，

这一成果将极大的推动台式化新型辐射源的研制 。相关的研究成果近期发表在Physical Review Letter上。

作为世界上最高亮度的X射线相干光源，自由电子激光（FEL）具有超高亮度、超短脉冲、波长连续可调等一系列优势，在原子分子物理学、凝聚态物理学、材料化学、结构生物学等诸多领域具有重大应用价值，极大的推动了人类科学的进步。

然而基于传统射频直线加速器的自由电子激光装置动辄数百米甚至数公里，耗资可达数亿乃至数十亿美元，限制了其进一步发展。

利用超强超短激光在等离子体中诱发的等离子体波来加速高能电子（LWFA）的方案，其加速梯度高于传统加速器三个量级以上，将极大的促进小型化加速器的研究，世界超强激光和传统加速器实验室纷纷开展这一领域的研究。

实现FEL需要高品质的电子束流，而LWFA所获得的电子束品质，特别是能散度，远落后于传统加速器。由于激光驱动的尾波场中不均匀的高加速电场，使得电子在加速过程中获得很大的能量啁啾，这种啁啾成为电子束能散的主要来源。如何在实验中获得千分量级能散并具有一定电荷量的高能电子束，成为研制紧凑型辐射源中的首要目标。

LWFA装置示意图

为了获得更低的能散度，通过压缩电子注入时间和电荷量是一种常用的方式，但这势必对获得的电子束品质造成影响。

该团队设计了一种简单的喷嘴结构（如上图中的喷嘴Nozzle与障碍物Baffle），仅调节喷嘴和障碍物的横向距离便可控制电子束的注入时间。

通过对该结构的测量和计算，科研人员发现，电子的注入过程产生于激光自聚焦和密度梯度下降沿（如上图(c)所示）的协同作用。这种协同作用能够提升电子束注入时刻与流强的可控性，并与后续电子束能散压缩过程相匹配，进而获得较高电量与低能散的电子束。这对于实现台式化的自由电子激光具有重大意义。

通过压缩电子束的能量啁啾，可以获得接近切片能散的电子束，在许多理论中都通过构建特殊的等离子体密度梯度来实现。而该团队仅仅依靠喷气形成的密度分布，借助激光自聚焦效应，就可以实现这一过程。

利用该方案该团队在实验上获得了低能散（~0.2%）高能（~820 MeV）的电子束流，并将激光尾波场加速所获得电子束的最高亮度纪录提升了2-3倍，该项成果是台式化激光电子加速器领域首次将高能电子束能散压缩至千分之二，对于实现台式化激光尾波场加速器的应用具有重要价值。

作者：许琦敏

图片来源：中科院上海光机所

电子的自旋

电子自旋是一个重要的物理概念，它是量子电动力学的基础。那么，电子自旋是怎么被发现的呢？它又有什么意义和影响？它还有什么未知的秘密和未来的可能呢？

电子自旋的发现

在上个世纪二十年代初期，物理学家们已经知道了原子由正负电荷组成，而且正负电荷都有一定的量子化单位：质子和电子。他们也知道了原子中有一个小小的核心，叫做原子核，由质子和中子组成，而电子则围绕着核心运动。他们还知道了电子运动的规律遵循着波粒二象性，即电子既可以表现为粒子，也可以表现为波。

但是，在这个看似完美的理论中，还有一些问题没有解决。比如说，氢原子光谱中的一些细微差别。氢原子只有一个电子，所以它的光谱应该很简单。但实际上，在氢原子光谱中，有一些线是由两条非常接近的线组成的，这就是所谓的精细结构。物理学家们试图用相对论效应来解释精细结构，但是还是不能完全符合实验结果。

1921年，康普顿提出了一个大胆的假设：也许电子不仅有轨道角动量，还有自身角动量，或者叫做自旋。他认为电子可以看作是一个带电荷的小球，在自己周围旋转，并产生一个磁场。这样一来，电子就有两种可能的自旋状态：顺时针或逆时针。康普顿还推测，如果把一个带有自旋的带电粒子放在一个外部磁场中，它的能量会发生变化，因为它的磁矩会和外部磁场产生相互作用，这就是所谓的塞曼效应。康普顿用这个假设来解释了一些铁磁物质的性质，但是他没有给出电子自旋的具体数值，也没有提供实验证据。

1922年，斯特恩和格拉赫设计了一个实验，来检验康普顿的假设。他们把一束银原子蒸汽通过一个非均匀的磁场，然后观察银原子在屏幕上的分布。如果没有自旋，那么它们应该在屏幕上形成一个连续的条纹。如果有自旋，并且自旋可以取任意值，那么它们应该在屏幕上形成一个模糊的斑点。但是，实验结果却出乎意料：银原子在屏幕上形成了两个清晰的点，分别对应于两种不同的自旋方向。这就证明了电子自旋的存在，而且电子自旋是量子化的，只能取两个离散的值：+1/2或-1/2。这个实验被称为斯特恩-格拉赫实验，是量子力学史上的一个里程碑。

1925年，古德斯密特和乌伦贝克在知道了斯特恩-格拉赫实验的结果后，提出了一个更完善的电子自旋理论。他们认为电子自旋不是由电子真正的空间旋转造成的，而是一种内禀的量子属性。他们还引入了第四个量子数：自旋量子数m，来描述电子自旋的状态。m只能取+1/2或-1/2两个值，分别对应于向上或向下的自旋方向。他们用这个理论来解释了氢原子光谱中的精细结构，并且得到了很好的符合。

量子电动力学的诞生

电子自旋理论虽然成功地解释了一些实验现象，但是也带来了一些新的问题。比如说，如果把电子看作是一个带电荷的点粒子，并且有一个固定的磁矩，那么它就会和自己产生的电磁场相互作用。这样一来，电子就会受到一个无穷大的力，并且会发射出无穷多的能量。这显然是不合理的。另外，如果把电子看作是一个有限大小的球体，并且有一个固定的角速度，那么它就会有一个很大的表面速度，并且会违反相对论。这也是不可接受的。

为了解决这些问题，物理学家们开始发展一种新的理论：量子电动力学，简称为QED。QED是一种把量子力学和相对论结合起来的理论，它可以描述光和物质之间的相互作用。QED认为光是由一种叫做光子的粒子组成的，而物质是由一种叫做费米子的粒子组成的。电子就是一种费米子，而光子就是一种无质量、无电荷、自旋为1的玻色子。

QED不仅可以解释已知的实验现象，比如康普顿散射、光电效应、拉曼散射等，还可以预测一些新的效应，比如真空闪烁、兰姆位移。QED被认为是物理学中最成功和最精确的理论之一，它可以给出很多物理量的高阶修正，并且与实验结果非常吻合。

重整化的发明

我们已经说过，QED是一种描述光和物质之间相互作用的理论。但是，QED并不是一种完美的理论。它有一个很大的问题：无穷大。在QED中，有一些物理量会出现无穷大的结果。这些无穷大是由于我们把电子和光子看作是没有大小和结构的点粒子造成的。当我们计算它们之间相互作用时，就会遇到一些无法避免的奇点。这些奇点使得QED失去了预测力和一致性。

为了解决这个问题，物理学家们提出了一个非常巧妙的方法：重整化。重整化的思想是这样的：我们不再把电子和光子看作是点粒子，而是把它们看作是有一定大小和结构的粒子。这样一来，我们就可以忽略它们内部的细节，而只关注它们外部的行为。我们可以用一些可观测的物理量，比如电子质量，电子电荷，光子自能等，来定义它们的大小和结构。这些可观测的物理量就是所谓的重整化常数。我们可以用实验来测量这些重整化常数，并且用它们来替换原来的无穷大的结果。这样一来，我们就可以得到有限的、有意义的、符合实验的结果。这就是重整化的过程。

重整化的发明要归功于几位物理学家：朝永振一郎，施温格、费曼。他们在1947年到1949年之间独立地发展了QED的重整化理论，并且用图形化的方法来简化计算。他们用重整化理论成功地解释了电子异常磁矩，即电子磁矩和自旋之间的比例系数与朴素预期不符的现象。他们为QED的发展做出了巨大的贡献，并且获得了1965年诺贝尔物理学奖。

电子异常磁矩的实验和理论

电子异常磁矩是一个非常有趣的物理现象，它反映了QED的精确性和有效性。我们已经说过，电子自旋会产生一个磁矩，即一个微小的磁偶极矩。如果我们把电子看作是一个经典的带电荷的旋转球体，那么它的磁矩和自旋之间应该有一个简单的关系：

其中μ是电子磁矩，g是一个比例系数，e是电子电荷，m是电子质量，S是电子自旋。如果我们用相对论修正这个关系，那么我们会得到g=2。这就是所谓的朗德因子。但是，在QED中，由于电子会和自己产生的虚光子相互作用，并且受到真空极化等效应的影响，它的磁矩会有一个微小的偏离。这个偏离就是所谓的异常磁矩，或者叫做反常朗德因子。

如何测量电子异常磁矩呢？一种方法是利用一个装置，叫做帕恩-埃德华兹-罗姆尼克环。这个装置可以把一些高速运动的电子束束缚在一个真空中的圆环里，并且施加一个恒定的垂直磁场和一个交变的水平磁场。这样一来，电子就会在圆环里做两种运动：一种是沿着圆环方向的回旋运动，另一种是沿着垂直方向的自旋进动运动。如果我们调节交变水平磁场的频率，使得它等于两种运动之间的频率差，那么就会发生共振现象。这时候，我们可以通过测量电子束发射出来的同步辐射来得到电子异常磁矩的值。

使用这种方法，物理学家们在过去几十年里不断地提高了对电子异常磁矩的测量精度，并且和QED理论给出的结果进行了比较。目前最精确的实验结果是(1159652180.73±0.28)×10^−12，而目前最精确的理论结果是(1159652180.22±0.29)×10^−12。可以看到，两者之间的一致性非常高，这是物理学史上最精确的实验和理论的对比之一，也是QED理论的一个重要的检验。

电子电偶极矩的寻找

电子自旋不仅会产生一个磁矩，还可能会产生一个电矩，即一个微小的电偶极矩。如果电子有一个电偶极矩，那么它就相当于一个带有两个相反电荷的小棒，而且这两个电荷不在同一条直线上。这样一来，电子就会违反一个非常重要的对称性原理：宇称对称性。

宇称对称性是指，如果我们把物理系统中所有的空间坐标都取反，那么物理规律不会发生变化。换句话说，物理系统和它的镜像是等价的。但是，如果电子有一个电偶极矩，那么它和它的镜像就不一样了。因为它的电偶极矩会和它的自旋方向成一定的夹角，而它的镜像的电偶极矩则会和它的自旋方向成相反的夹角。

那么，电子是否真的有一个电偶极矩呢？在标准模型中，即我们目前所知道的描述基本粒子和相互作用的理论中，电子的电偶极矩是非常小的，小到无法被实验测量出来。但是，在一些超出标准模型的理论中，比如超对称理论，电子的电偶极矩可能会有一个可观测的值。因此，寻找电子电偶极矩是一种探索新物理的方法。

如何测量电子电偶极矩呢？其中一种方法是利用一个装置，叫做阿卡姆-赫伯特-康普顿-桑德斯环。这个装置可以把一些分子束束缚在一个真空中，并且施加一个强大的垂直电场和一个弱小的水平磁场。这样一来，分子中的电子就会在两个方向上发生自旋进动运动，并且受到电偶极矩和外部场之间的相互作用。如果我们调节水平磁场的方向，并且测量分子发射出来的荧光光谱，那么我们就可以得到电子电偶极矩的值。

使用这种方法，物理学家们测得的电子电偶极矩几乎为零。为了让你有一个直观的感受，你可以想象一下这样一个比喻：如果你把地球看作是一个带电的球体，那么它的电偶极矩就相当于两个相距0.1纳米（即一个原子的大小）的电荷。这是多么微不足道的一种效应啊！

你可能会问，既然电子电偶极矩这么小，为什么我们还要费劲去测量它呢？答案是，因为它可能会给我们带来一些惊喜。如果我们能够测量出一个和标准模型不一致的电子电偶极矩的值，那么就意味着我们发现了一些新的物理现象。这样一来，我们就可以打开一个新的视野，去探索我们所不知道的自然界的奥秘。这就是物理学的魅力所在。

磁共振的发明

电子自旋不仅是一个理论上的概念，它也有很多实际的应用。其中一个最重要的应用就是磁共振，或者叫做核磁共振。磁共振是一种利用电子自旋或者原子核自旋在外部磁场中的行为来探测物质结构和性质的技术。它可以用于化学分析，物理测量，医学诊断，生物学研究等领域。

磁共振的原理是这样的：如果把一个带有自旋的粒子放在一个恒定的外部磁场中，它的自旋就会和外部磁场产生相互作用，并且倾向于和外部磁场平行或反平行。这两种状态分别对应于两种不同的能量，我们可以把它们叫做低能态和高能态。如果我们再给这个粒子施加一个交变的电磁波，那么当电磁波的频率等于两种能态之间的差值时，就会发生一种现象：粒子会从低能态跃迁到高能态，或者从高能态跃迁到低能态。这就是所谓的共振。当粒子发生共振时，它会吸收或释放一定量的能量，这个能量就是电磁波的能量。我们可以通过测量电磁波的吸收或释放来得到粒子自旋的信息。

磁共振的发明要归功于两位物理学家：普赫斯和布洛赫。他们在1946年几乎同时发现了核磁共振现象，并且分别用氢原子和锂原子作为实验对象。他们用一个强大的恒定磁场来产生外部磁场，并且用一个线圈来产生交变电磁波。他们发现，当交变电磁波的频率等于氢原子核或锂原子核自旋之间的能级差时，就会观察到电流或电压的变化。这就证明了核磁共振现象的存在，并且为后来的研究和应用奠定了基础。

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来源：万象经验

编辑：见欢

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