Рентгеновские лучи преобразуют кинетическую энергию электронного пучка в мощные фотонные импульсы, вплоть до жестких длин волн рентгеновского излучения, и их часто называют "двигателями открытий". Рентгеновские лучи используются для создания экстремальных условий вещества для исследований горячей плотной материи, для изучения свойств материалов для следующего поколения микрочипы для определения структуры сложных биомолекул для новых лекарств и многих других применений.

В основе FELs лежат электронные пучки, движущиеся по траектории внутри устройства, известного как ондулятор, с переменным магнитным полем. В результате покачивающего движения электронный пучок испускает вспышки фотонов, а эффект положительной обратной связи структурирует электронный пучок в микропучки на длине волны излучения. Следовательно, мощность излучения растет экспоненциально вдоль ондулятора и становится высококогерентной.

Этот эффект самоорганизации может возникнуть только в том случае, если электронный пучок имеет высокое качество при релятивистских энергиях. Однако, чтобы соответствовать строгим требованиям к качеству электронного пучка, ультрасовременные X-FELs представляют собой тонко настроенные машины километрового масштаба стоимостью до миллиарда фунтов стерлингов. Следовательно, во всем мире существует лишь несколько центров X-FEL, и пока ни одного в Великобритании.

Исследование в Стратклайде с помощью высокоточного моделирования от начала до конца показывает, что плазменный ускоритель Уэйкфилда (PWFA), оснащенный усовершенствованным методом инжекции электронов "троянского коня", называемым плазменным фотокатодом, может генерировать электронные пучки в 100 000 раз ярче, чем самые современные. Это происходит из-за низкого распространения импульса, что приводит к образованию чрезвычайно холодных электронных пучков.

PWFA также обладает ускоряющим электрическим полем мощностью от десятков до сотен гигавольт на метр, что позволяет реализовать ускоритель в сантиметровом масштабе по сравнению с километровыми масштабами традиционных ускорителей.

В исследовании исследуется, как извлекать, транспортировать, изолировать и вводить электронные пучки сверхвысокой яркости, холодные как лед, из плазменного фотокатода PWFA в ондулятор без потери заряда и качества; они остаются холодными и не "плавятся". Сфокусированный в ондуляторе электронный пучок сверхвысокого качества создает мощный когерентный, лазероподобные фотонные импульсы с длительностью импульсов в аттосекундном режиме (1×10-18 секунды). В дополнение к исключительному качеству электронных и результирующих фотонных импульсов, вся система может занимать площадь всего в несколько десятков метров, в отличие от современных аппаратов X-FEL размером в километр.

Ученые, работающие над исследованием, полагают, что три вехи, достигнутые в ходе исследования, могут стать ключом к созданию ультракомпактных рентгеновских аппаратов следующего поколения. Исследование было опубликовано в журнале Сообщения о природе и является частью общенационального британского проекта X-FEL.

Фахим Хабиб, научный сотрудник физического факультета Стратклайда и ведущий постдокторант исследования, сказал: "Перспективы ультракомпактных плазменных рентгеновских лучей, основанных на этой схеме, ошеломляют. Наши результаты являются важными первыми вехами, но нам предстоит гораздо больше работы по экспериментальной реализации этого подхода".

Профессор Бернхард Хиддинг из Стратклайда, который руководит проектом, сказал: "Первые экспериментальные данные о введении плазменного фотокатода в PWFA были получены в рамках нашего сотрудничества с Trojan Horse на объекте SLAC FACET нашего стратегического партнера в Стэнфорде. Теперь, с нашей программой на заводе-преемнике SLAC FACET-II, мы стремимся использовать истинный потенциал схемы с точки зрения качества и стабильности луча".

Доктор Брайан Макнил, читатель физического факультета, сказал: "Яркость является ключевым параметром производительности для генерации на свободных электронах. Если электронные пучки, такие яркие и короткие, как показано в нашем вычислительном исследовании, могут быть получены из плазмы, это может оказать огромное влияние на науку о фотонах ".

Профессор Хиддинг работает над параллельным проектом, финансируемым Европейским исследовательским советом, под названием NeXource: Источники электронного пучка следующего поколения на основе плазмы для науки о фотонах высокой яркости.