經過大規模檢修、確保配置穩定之后，世界上最強大的X射線激光器——LCLS-II近日宣布即將投入使用。作為斯坦福大學直線加速器相干光源(LCLS)的強大升級，LCLS-II利用比深空更低的溫度將電子加速到接近光速，每秒發射100萬次X射線。
LCLS-II被稱為硬X射線自由電子激光器(XFEL)，是一種被設計用于以高分辨率和超快時間尺度捕捉微觀物體圖像的儀器。它的前身被用來成像病毒，再現恒星中心的條件，將水加熱沸騰成比地核還熱的等離子態，創造出盡可能大的聲音，并制造出可能落在海王星等行星上的“鉆石雨”。
而第二階段新完成的儀器將有更豐富和強大的能力。LCLS-II的X射線脈沖將比它的上一代版本平均亮1萬倍，每秒將發射100萬個X射線脈沖——比最初的每秒120個脈沖的頻率大幅增加。
圖片來源：SLAC實驗室
LCLS-II的主任邁克·鄧恩(Mike Dunne)表示:“在短短幾個小時內，LCLS-II將產生比當前激光器整個壽命產生的X射線脈沖還要多的X射線脈沖。”“過去可能需要數月才能收集到的數據，現在可以在幾分鐘內生成。它將把X射線科學提升到一個新的水平，為一系列全新的研究鋪平道路，并提高我們開發革命性技術的能力，以應對我們社會面臨的一些最深刻的挑戰。”
有了這些新功能，科學家們可以以前所未有的分辨率研究復雜材料的細節，從而推動新的計算和通信形式;揭示罕見和短暫的化學事件，教我們如何創建更可持續的產業和清潔能源技術;研究生物分子如何實現生命功能，開發新型藥物;并通過直接測量單個原子的運動來窺視奇異的量子力學世界。
LCLS-II的工作原理與第一代相同——在電子進入“波動器”之前，先產生電子，然后沿著一根長長的管道加速，使電子搖擺，直到它們從一邊到另一邊拋出X射線。但現在，這一過程的每一步都有了升級。
據介紹，新版本最大的革新突破是中間的加速器。之前電子是在室溫下通過銅管發射的，而LCLS-II使用一套37個低溫模組將設備冷卻到-271°C(-456°F)，比絕對零度稍高，工作溫度比外層空間還要低。它通過管道將液氦冷卻劑從兩個大型氦冷凍庫輸送到模塊中來實現這一點。
在如此低的溫度下，模塊內的鈮金屬腔變為超導，使電子能夠以零電阻通過，過程中幾乎沒有能量損失。微波為振蕩的電場提供能量，電場在這些空腔內共振，與通過的電子的節奏同步，從而將能量傳遞給它們。這些額外的能量加速了電子，所以當它們通過所有37個低溫模時，它們的速度接近光速。
接下來，電子進入波動器，波動器使用強磁鐵將電子左右拉動，使它們擺動，并使它們發射X射線。新的波動器可以產生“硬”和“軟”X射線，分別針對不同的目標發揮作用——硬X射線可以詳細地成像單個原子，而軟X射線可以顯示原子和分子之間的能量流動。
圖片來源：SLAC實驗室
為了實現這個項目，SLAC國家加速器實驗室與其他四個美國國家級實驗室——阿貢實驗室、伯克利實驗室、費米實驗室和杰斐遜實驗室以及康奈爾大學展開了合作。
該團隊表示，隨著低溫模組在4月份降至溫度低點，該儀器現在已經準備好進行第一個電子的測試。預計LCLS-II將在今年晚些時候開始產生X射線。一旦成功，預計該設施將為化學、生物、計算和量子力學提供新的洞見。
