全球最强大的X射线激光器即将投用，每秒发射100万次脉冲

经过大规模检修、确保配置稳定之后，世界上最强大的X射线激光器——LCLS-II近日宣布即将投入使用。作为斯坦福大学直线加速器相干光源(LCLS)的强大升级，LCLS-II利用比深空更低的温度将电子加速到接近光速，每秒发射100万次X射线。

LCLS-II被称为硬X射线自由电子激光器(XFEL)，是一种被设计用于以高分辨率和超快时间尺度捕捉微观物体图像的仪器。它的前身被用来成像病毒，再现恒星中心的条件，将水加热沸腾成比地核还热的等离子态，创造出尽可能大的声音，并制造出可能落在海王星等行星上的“钻石雨”。

而第二阶段新完成的仪器将有更丰富和强大的能力。LCLS-II的X射线脉冲将比它的上一代版本平均亮1万倍，每秒将发射100万个X射线脉冲——比最初的每秒120个脉冲的频率大幅增加。

图片来源：SLAC实验室

LCLS-II的主任迈克·邓恩（Mike Dunne）表示:“在短短几个小时内，LCLS-II将产生比当前激光器整个寿命产生的X射线脉冲还要多的X射线脉冲。”“过去可能需要数月才能收集到的数据，现在可以在几分钟内生成。它将把X射线科学提升到一个新的水平，为一系列全新的研究铺平道路，并提高我们开发革命性技术的能力，以应对我们社会面临的一些最深刻的挑战。”

有了这些新功能，科学家们可以以前所未有的分辨率研究复杂材料的细节，从而推动新的计算和通信形式；揭示罕见和短暂的化学事件，教我们如何创建更可持续的产业和清洁能源技术；研究生物分子如何实现生命功能，开发新型药物；并通过直接测量单个原子的运动来窥视奇异的量子力学世界。

LCLS-II的工作原理与第一代相同——在电子进入“波动器”之前，先产生电子，然后沿着一根长长的管道加速，使电子摇摆，直到它们从一边到另一边抛出X射线。但现在，这一过程的每一步都有了升级。

据介绍，新版本最大的革新突破是中间的加速器。之前电子是在室温下通过铜管发射的，而LCLS-II使用一套37个低温模组将设备冷却到-271°C(-456°F)，比绝对零度稍高，工作温度比外层空间还要低。它通过管道将液氦冷却剂从两个大型氦冷冻库输送到模块中来实现这一点。

在如此低的温度下，模块内的铌金属腔变为超导，使电子能够以零电阻通过，过程中几乎没有能量损失。微波为振荡的电场提供能量，电场在这些空腔内共振，与通过的电子的节奏同步，从而将能量传递给它们。这些额外的能量加速了电子，所以当它们通过所有37个低温模时，它们的速度接近光速。

接下来，电子进入波动器，波动器使用强磁铁将电子左右拉动，使它们摆动，并使它们发射X射线。新的波动器可以产生“硬”和“软”X射线，分别针对不同的目标发挥作用——硬X射线可以详细地成像单个原子，而软X射线可以显示原子和分子之间的能量流动。

图片来源：SLAC实验室

为了实现这个项目，SLAC国家加速器实验室与其他四个美国国家级实验室——阿贡实验室、伯克利实验室、费米实验室和杰斐逊实验室以及康奈尔大学展开了合作。

该团队表示，随着低温模组在4月份降至温度低点，该仪器现在已经准备好进行第一个电子的测试。预计LCLS-II将在今年晚些时候开始产生X射线。一旦成功，预计该设施将为化学、生物、计算和量子力学提供新的洞见。