超短脉冲电子束在科学成像方面具有很重要的应用。但产生超短脉冲电子束需要用一个汽车大小的装置，这种装置不但造价高，还极其耗电。
最近，麻省理工学院、德国同步光源和德国汉堡大学的研究人员在《光学》（Optica）杂志发表的一篇论文中介绍了一种产生电子脉冲的新技术。据悉，
用这种新技术产生电子脉冲仅需要火车盒大型的设备，而且耗电量仅为目前设备的零头
。
超短电子束可用于收集材料在化学反应与物理应变过程中的信息。除此之外，电子束在经过粒子加速器加速后还可以产生超短X射线。
图示是一种微型太赫兹电子枪。一束紫外线（蓝色）轰击电子枪阴极的背面，在电子枪内部产生高密度电子束团。电子束迅速被超强太赫兹波加速到1KeV左右的能量。这种电子枪可以用于超快电子衍射，或者作为粒子加速器的电子源产生X射线。
去年，该小组还在《自然通讯》（Nature Communications）发表了一篇有关“小型直线加速器”的文章。这种小型加速器的加速性能可以与大型加速器相媲美，它和新型高能电子枪相结合会产生的超短X射线。
超短X射线具有极强的成像能力，可以很好地应用到科学和工业实验室中。
据报道，该新型电子枪产生的电子束脉冲宽度为数百飞秒。虽然这已经是目前电子枪所能实现的最好结果，但该方法还可以将脉宽降低到
1飞秒
。1飞秒的电子脉冲可以产生阿秒X射线脉冲，而
阿秒X射线脉冲则意味着细胞实时成像成为可能。
“物理、化学和生物研究有时要用到X射线或电子束流，我们为这些研究打造了一个科研利器，”该论文第一作者，麻省理工学院电气工程博士生罗尼·黄（Ronny Huang）说道。“这些极短的电子束脉冲几乎可以让人观察到分子内部电子的瞬态行为。产生飞秒脉冲 X 射线源要求有更多的硬件设施，但它一定会用到电子枪。”
黄博士还介绍道，超短电子脉冲可以进行电子衍射成像，科学家可以利用该技术观察材料的相变，比如材料从导电带过渡到绝缘态以及化学反应中化学键的形成与裂解。
超短X射线还保留有普通X射线所具有的优势：
极强的穿透能力
。目前超短X射线的产生主要依靠粒子加速器对电子进行加速，然后在扭摆磁铁的作用下是电子束震荡，进而辐射出X射线。但粒子加速器属于大科学装置，长度少则数十米，多则几公里，造价通常在数十亿美元甚至更多。
去年，麻省理工学院—汉堡大学团队以及马克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）和多伦多大学的同事，在一篇论文中论述了一种
将粒子加速器缩小到桌面大小的方法
。黄博士是这篇论文的参与者，他认为这项关于电子枪的新技术恰好是小型加速器的补充。
该项目的负责人是弗兰茨·卡特纳（Franz Kärtner），他是麻省理工学院电气工程学教授，后来来到汉堡大学任职。卡特纳目前仍是
麻省理工学院
电器研究实验室的首席研究员，他也是黄博士的导师。最新的这篇论文是由卡特纳和黄博士以及
麻省理工学院
和汉堡大学的另外8为同时联合发表的。
新型电子枪是射频电子枪（RF gun）的变种，但二者有有所不同。后者用射频（Radio Frequency ，RF）加速电子，前者则利用太赫兹电磁波。所谓太赫兹电磁波即介于可见光与微波间的波段。
新型电子枪仅有火材盒大小，它由两个铜板构成，两铜板最小间距仅为75微米。每块铜板有两处弯折，就像一封从信封中拿出来的信。两块铜板弯折的方向相反，这样铜板边缘的间距就能尽可能大——达到6毫米。
其中一块铜板的中心有一个石英片，上面沉积了一层铜膜，最薄处仅30纳米。当从紫外激光器射出的短脉冲光轰击薄膜最薄处后，薄膜就会在另一面发射电子。
与此同时，太赫兹电磁脉冲沿与激光垂直的方向从铜板中间穿过。因为电磁辐射是由相互垂直的电场和磁场构成的，它既有电特性又有磁特性。太赫兹波经过偏振后，其电场可以用来加速电子。
这一技术的关键是，两铜板间的间距逐渐减小，最终将太赫兹辐射限制在75微米的间隙内，这一距离比太赫兹波的波长还有短。“这很不寻常，”黄博士介绍说，“在光学上，光遇到与自己波长相当的物体会发生衍射。但我们却用这种结构将太赫兹波限制在极小间隙内，产生很高的能量密度，从而增强了电子枪的加速能力。”
也正因如此，功率较低的太赫兹电子枪可以获得比高功率RF枪更好的加速性能。此外，装置使用的激光器不仅能产生紫外线，还能产生额外的太赫兹光。
据加州大学洛杉矶分校物理学教授詹姆斯·罗森茨魏希（James Rosenzweig）介绍，这点是该研究最吸引人的地方。“超快光源最大的问题是激光器和加速电场间的时间抖动。时间抖动会造成各种系统效应，很难形成时间分辨电子衍射，”罗森茨魏希说。
“卡特纳的装置中，激光器产生太赫兹光的同时也会产生光电子，这就极大抑制了时间抖动。如果用激光作为泵浦光，电子束作为探测光来做泵浦-探测实验，其成功率肯定会高得多。这种装置尺寸很小，成本又适中，它在未来会有很重要的应用前景。”
该团队研究员是由美国空军科学研究办公室（U.S. Air Force Office of Scientific Research）和欧洲研究委员会（European Research Council）共同资助的，黄博士则受国防科学与工程研究生奖学金资助。
编辑：孙小彪
参考：MIT NEWS
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