Olivier Bonin/SLAC National Acce

經(jīng)過近十年的開發(fā)，美國能源部斯坦福直線加速器中心 (SLAC) 的直線加速器相干光源 (LCLS) 的第二次迭代幾乎準(zhǔn)備好開始比以往更猛烈地發(fā)射光子。被稱為 LCLS-II，這個(gè)價(jià)值 10 億美元的超導(dǎo)粒子加速器升級(jí)將以每秒 100 萬個(gè)脈沖的世界紀(jì)錄速率產(chǎn)生比其前身高 10,000 倍的 X 射線——同時(shí)在嚴(yán)寒的負(fù) 456 華氏度下工作。

“在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，LCLS-II 將產(chǎn)生比當(dāng)前激光器在其整個(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生的更多的 X 射線脈沖，”LCLS 主任 Mike Dunne 說。“曾經(jīng)可能需要幾個(gè)月才能收集的數(shù)據(jù)可以在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生。它將把 X 射線科學(xué)提升到一個(gè)新的水平，為全新的研究范圍鋪平道路，并提高我們開發(fā)革命性技術(shù)以解決一些問題的能力我們社會(huì)面臨的最深刻的挑戰(zhàn)。”

最初的 LCLS 于 2009 年上線，其亮度是它所取代的加速器的 10 億倍，但由于物理定律限制了可以同時(shí)通過加速器迷宮般的室溫的電子數(shù)量，因此被限制為每秒 120 個(gè)脈沖銅管。但是通過用超過三打低溫加速器模塊(相互連接的空心鈮串)替換這些管道，冷卻到 2 開爾文(絕對零以上 4 華氏度)，SLAC 研究人員可以大幅提高加速器的輸出。

“為了達(dá)到這個(gè)溫度，直線加速器配備了兩個(gè)世界級(jí)的氦低溫裝置，使 SLAC 成為美國和全球重要的低溫地標(biāo)之一，”SLAC 低溫部門主任 Eric Fauve 說。“SLAC Cryogenics 團(tuán)隊(duì)在整個(gè)大流行期間一直在現(xiàn)場工作，以安裝和調(diào)試低溫系統(tǒng)并在創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間內(nèi)冷卻加速器。”

一旦電子通過所有 37 個(gè)低溫模塊并充分冷卻，它們就會(huì)被兆瓦微波激發(fā)并加速到接近光速，并通過一串波蕩器磁鐵饋送，這些磁鐵迫使電子束進(jìn)入鋸齒形圖案，產(chǎn)生 X 射線。更重要的是，波蕩器可以影響產(chǎn)生的 X 射線的類型——無論是用于材料成像的硬 X 射線，還是主要用于記錄能量流和實(shí)時(shí)化學(xué)反應(yīng)的軟 X 射線。

LCLS-II 在 4 月中旬首次達(dá)到 2 開爾文大關(guān)，隨著周二的宣布，現(xiàn)在準(zhǔn)備開始進(jìn)行研究。這預(yù)計(jì)將在今年晚些時(shí)候發(fā)生，并且可以幫助我們以比以往任何時(shí)候都更高的分辨率檢查尖端材料和生物過程，推動(dòng)清潔能源技術(shù)的發(fā)展，甚至通過對單個(gè)原子進(jìn)行成像來解開量子領(lǐng)域的秘密。