开创科技新时代！详解世界上最强大的X射线激光器

光子盒研究院

它每秒可闪烁多达一百万次X射线——是其前身的8000倍。它改变了科学家探索原子级超快现象的能力：而这些现象是从量子材料到清洁能源技术和医学等广泛应用的关键。

9月18日，据报道，美国能源部SLAC国家加速器实验室新升级的Linac相干光源(LCLS)X射线自由电子激光器(XFEL)成功产生了第一束X射线。世界各地的研究人员已经排好队，准备启动一项雄心勃勃的科学计划。

LCLS-II的能力将实现重大飞跃——从每秒120个脉冲增加到每秒100万个脉冲，这将使研究人员能够在现在不可能的广泛领域进行实验

这次升级被称为LCLS-II，它具有无与伦比的能力，将开创X射线研究的新纪元。科学家们将能够以前所未有的分辨率研究量子材料的细节，从而推动新形式的计算和通信；揭示不可预知和稍纵即逝的化学事件，从而教会我们如何创造更可持续的工业和清洁能源技术；研究生物分子如何执行生命功能，从而开发新型药物；以最快的时间尺度研究世界，从而开辟全新的科学研究领域......

LCLS-II项目主任格雷格·海斯(Greg Hays)说道：“这一成就标志着十多年工作的顶峰。它表明，LCLS-II的所有不同元素都在和谐地工作，以一种全新的工作模式产生X射线激光。”

达到“第一道曙光”是一系列关键里程碑的结果，这些里程碑始于2010年：当时的愿景是升级最初的LCLS，后来发展成为一个多年期（11亿美元）的升级项目，涉及整个能源部的数千名科学家、工程师和技术人员，以及众多机构合作伙伴。

“60 多年来，SLAC一直在建造和运行功能强大的工具，帮助科学家回答有关我们周围世界的基本问题。这一里程碑确保了我们在X射线科学领域的领先地位，并推动我们在未来的创新中不断前进。”SLAC临时实验室主任Stephen Streiffer表示：“这一切都要归功于我们实验室各部门与更广泛的项目团队合作所付出的惊人努力。”

SLAC工作人员聚集在加速器控制室，庆祝LCLS-II项目的先锋超导加速器发出第一束光

XFEL能够产生超亮、超短的X射线光脉冲，使科学家们能够在化学、生物和材料变化发生的自然时间尺度上以前所未有的细节捕捉分子、原子和电子的行为。XFEL在许多科学成就中发挥了重要作用：包括创造了第一部用于研究复杂化学过程的“分子电影”，实时观察植物和藻类吸收阳光以产生我们呼吸的所有氧气的方式，以及研究驱动行星进化的极端条件和钻石雨等现象。

LCLS是世界上第一台硬XFEL，于2009年4月发出第一束光，产生的X射线脉冲亮度是之前任何设备的十亿倍。它在室温下通过铜管加速电子，这将其速度限制在每秒120个X射线脉冲。

播放这段视频，简单了解什么是XFEL以及科学家可以利用这一工程奇迹开展哪些研究

美国能源部部长珍妮弗·格兰霍姆(Jennifer M. Granholm)表示：“来自SLAC的LCLS-II的光线将照亮宇宙中最小和最快的现象，并带来从人类健康到量子材料科学等学科的重大发现。”

“对现有最强大的X射线激光器的升级，使美国始终站在X射线科学的最前沿，为我们提供了一个了解我们的世界如何在原子层面上运作的窗口。向SLAC才华横溢的工程师和研究人员表示祝贺，他们在过去几年中为这个项目倾注了大量心血，这一切都是为了追求知识。”

LCLS-II升级版将X射线科学提升到了一个全新的水平：它每秒可产生多达一百万个X射线脉冲——是LCLS的8000倍；并可产生几乎连续的X射线光束，平均亮度是其前身的10000倍：创下了当今最强大X射线光源的世界纪录。

能源部科学办公室主任阿斯梅雷特·阿塞福·贝雷赫(Asmeret Asefaw Berhe)说道：“随着这些能力的升级，LCLS的世界领先科学历史将继续发展。我非常期待LCLS-II和用户社区对国家科学优先事项的影响，包括化学、材料、生物等领域的基础科学研究；清洁能源科学进步的应用；以及通过量子信息科学等举措确保国家安全。”

这项成就是广泛合作努力的结晶，世界各地的研究人员都做出了重要贡献。包括五个美国国家实验室和一所大学在内的多个机构都为该项目的实现做出了贡献，这充分证明了该项目的国家和国际重要性。

工程师多米尼克·怀特(Dominique White，中)与项目经理丹尼斯·马丁内斯·加拉塞(Dennis Martinez-Galarce)交谈，他们正在为LCLS-II安装最后一个低温模块

LCLS-II增强能力的核心是其革命性的超导加速器。它由37个低温模块组成，这些模块被冷却到零下456华氏度——比外太空还要冷。在这个温度下，它可以将电子提升到高能量，而能量损失几乎为零。费米实验室和托马斯·杰斐逊国家加速器在设计和建造这些低温模块方面发挥了关键作用。

费米实验室的主任利亚·梅明加(Lia Merminga)说：“LCLS-II项目的核心是其开创性的超导加速器。”该项目能在极短的时间内成功建造并提供世界一流的性能，合作方在工程、技术和科学方面的集体专业知识和才能功不可没。

直列加速器配备了两个世界一流的氦低温恒温器。其中一个低温恒温器是专门为LCLS-II建造的，它能将氦气从室温一直冷却到绝对零度以上几度的液相，为加速器提供冷却剂

超导加速器与现有的铜加速器并行工作，使研究人员能够在更广的能量范围内进行观测，捕捉快速过程的详细快照，探测其他光源无法触及的微妙样品，并在更短的时间内收集更多的数据，从而大大增加了该设施可进行的实验数量。

杰斐逊实验室主任斯图尔特·亨德森(Stuart Henderson)说：“看到这一由最先进的LCLS-II超导加速器驱动的巨大成就，我们感到非常高兴。”杰斐逊实验室与费米实验室(Fermilab)和SLAC合作建造了一半的低温舱，为这一成就做出了贡献，杰斐逊实验室对此深感自豪。

——这一成就建立在这一强大的粒子加速器技术十多年的发展基础之上。

除了新的加速器，LCLS-II还需要许多其他尖端组件：包括一个新的电子源、两个为低温模块中的铌结构生产制冷剂的强大低温器、两个用于从电子束中产生 X 射线的新起落器，以及激光技术、超快数据处理和先进传感器与探测器方面的重大飞跃。

起落架是与劳伦斯伯克利国家实验室和阿贡国家实验室合作开发的；包括康奈尔大学在内的许多其他机构也为其他关键部件做出了贡献，这凸显了推动科学知识发展的广泛承诺。

对此，劳伦斯伯克利国家实验室主任Mike Witherell说道：“祝贺SLAC和来自全国各地能源部实验室的令人印象深刻的加速器专家团队建成LCLS-II。这一独特的新设施将为探索科学提供许多新的机会。”

原有的LCLS减速器系统已被拆除，取而代之的是两套全新的系统，它们具有引人注目的新功能

阿贡国家实验室主任保罗·卡恩斯(Paul Kearns)说道：“我们很高兴看到我们与SLAC和伯克利实验室的合作有助于增强这一未来光源的能力。LCLS-II背后的先进技术将使能源部用户设施社区能够大大提高我们对周围世界的了解。祝贺SLAC以及为这一非凡科学成就做出贡献的所有人。”

多年来，研究人员一直在准备将LCLS-II用于广泛的科学计划，以应对以前无法应对的挑战。

例如，科学家们将能够在量子材料的自然时间尺度上研究它们之间的相互作用，这对于理解它们不同寻常且往往违背直觉的特性至关重要：进而利用它们来制造高能效设备、量子计算机、超快数据处理以及其他未来技术。

通过捕捉原子尺度的阿秒级化学反应快照（电子移动的尺度），LCLS-II还将为化学和生物反应提供前所未有的洞察力，从而为从可再生能源到化肥生产和温室气体减排等行业带来更高效、更有效的流程。

LCLS-II产生的X射线脉冲将使科学家能够实时跟踪复杂系统中的能量流动。这将为超快计算、可持续制造和通信等领域的发展提供前所未有的详细资料。

作为物理学、化学和工程学的交叉学科，材料科学也将从LCLS-II的新功能中受益匪浅。据预测，增强型X射线激光器在原子和分子尺度上观测材料内部结构和性质的潜力将在设计具有独特性质的新材料方面带来突破，从而影响从电子、能源存储到航空航天工程等一系列行业。

生命过程发生的尺度和速度往往无法进行详细研究。LCLS-II创造“分子电影”的能力可以阐明这些现象，彻底改变我们对生命最基本层面的认识：从蛋白质的复杂舞动到光合作用的机器，LCLS-II将以前所未有的细节揭示生物系统。

LCLS主任迈克·邓恩(Mike Dunne)说：“未来几周和几个月内，每个领域的实验都将开始，吸引来自全国和世界各地的数千名研究人员。LCLS这样的能源部用户设施是免费提供给用户的：我们根据最重要和最有影响力的科学进行选择。”

“LCLS-II将推动许多学术和工业领域的革命。我期待着新思想的冲击：这也正是国家实验室存在的本质原因。”

参考链接：

[1]https://lcls.slac.stanford.edu/

[2]https://lcls.slac.stanford.edu/lcls-ii

[3]https://www6.slac.stanford.edu/news/2023-09-18-slac-fires-worlds-most-powerful-x-ray-laser-lcls-ii-ushers-new-era-science

相关阅读：

每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

|qu|cryovac>

你可能会错过：|qu|cryovac>

|qu|cryovac>