德国研究人员提出新型窄带 X 射线源方案 可用于穆斯堡尔核高精度研究

7月15日，德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所(MPIK)研究人员提出一种新型 X 射线源概念，可通过电子束与晶体中原子核之间的同步相互作用，产生强烈且光谱窄带的 X 射线辐射，用于对原子核开展高精度研究。

电磁辐射长期以来是研究物质结构和动力学的重要工具。对于精密测量而言，光谱宽度极窄的跃迁尤为关键，因为它们可用于原子钟研发、基础物理检验等高精度实验。穆斯堡尔跃迁是已知最窄的跃迁之一，涉及硬 X 射线，在材料分析、行星探测和基础物理验证等领域已有广泛应用。

图 1：晶体(绿色)中原子核受结构化电子包(蓝色)激发而发射 X 射线(黄色)的示意图。

图 2：示意图：从 XFEL 偏转的结构化电子束激发晶体中的原子核，从而发射相干的窄带 X 射线。

图 3：散射 X 射线场的放大倍数与晶格取向(横轴)和电子距晶体表面距离(纵轴)的关系。图中显示了一个具有明显最大值(箭头所示)的几何构型，在该构型下 X 射线的产生达到最佳状态。

目前，X 射线自由电子激光器(XFEL)能够产生强度极高、持续时间极短的 X 射线脉冲，使科学家得以观察原子和分子的快速运动。不过，XFEL 辐射的光谱宽度相较于铁-57等穆斯堡尔核跃迁仍宽约十亿倍，导致真正能够与原子核有效相互作用的辐射比例很小，限制了相关实验的效率。

为解决这一问题，MPIK 团队提出重复利用 XFEL 中已形成空间结构的电子束。此类电子束通常在 XFEL 产生光后被丢弃。新方案不再让电子沿磁场中的蛇形路径辐射，而是让电子沿由穆斯堡尔核组成的晶体表面运动。电子的电场可激发晶体中的穆斯堡尔核，使其发射相干、窄带的 X 射线。

研究人员表示，电子束本身的空间结构会带来干涉增强效应，从而提高辐射强度。通过系统分析不同散射几何结构，团队确定了一种优化配置，其性能较以往利用晶体产生穆斯堡尔辐射的方法提高数个数量级。

该方案的另一特点是装置相对紧凑。由于所需晶体仅为几厘米尺度，并且可利用现有 XFEL 电子束，研究人员认为该光源有望与现有 XFEL 装置并行运行，而不必建设新的大型基础设施。

研究团队认为，这一概念有望拓展穆斯堡尔核研究的激发条件，为核精密光谱学实验提供更强、更窄带的 X 射线工具，并提升现有 XFEL 在相关精密实验中的应用能力。