在這張航拍照片中，可以看到一個低溫裝置和SLAC 3.2千米長的直線加速器的一部分。

世界上最強大的X射線激光器，位于SLAC美國國家加速器實驗室的直線加速器相干光源II(LCLS-II)于9月12日正式發出了第一束X射線。該X射線自由電子激光器(XFEL)耗資11億美元，經過十多年的升級改造，現在每秒能夠發射100萬次X射線脈沖，是2009年開始運行的第一代LCLS的8000倍。每個脈沖的亮度是第一代LCLS的10000倍。

這臺新機器使美國的XFEL工廠重新成為世界上五個XFEL中表現最好的工廠，超過了在德國謝訥費爾德運行了六年之久的歐洲XFEL工廠。LCLS-II實驗于11月開始。

SLAC科學家孟亮檢查LCLS X射線成像儀器

LCLS科學副主任羅伯特·舍恩萊因表示：“LCLS-II將能夠進行第一代XFEL無法實現的全新實驗。它的幾飛秒長的脈沖將大大提高LCLS一直在制作的‘分子電影’的保真度，以顯示化學反應過程中發生的亞原子相互作用。如果想了解光收集過程或電荷轉移過程，這些過程推動了能量儲存和轉化的化學反應，我們就需要對價電子有新的認識。”

LCLS的副科學家阮瓊麗表示：“LCLS- II大幅提高的X射線強度，將為那些試圖設計具有新特性材料的研究人員，提供更多的數據和更強的信號。改進后的表征可以與人工智能相結合，為電子、能源存儲和航空航天等一系列應用設計新材料。激光X射線也可以用來進一步改變新設計材料的特性。”

舍恩萊因還說道：“LCLS-II可以更好地闡明蛋白質等生物大分子的結構，并可以觀察蛋白質折疊和光合作用等生物過程?？梢悦刻炫臄z十億張快照，并在接近生理環境下繪制出生物結構的整個組合圖。”

LCLS-II的X射線能量可以在250 eV到5000 eV范圍內調整。這種調整使科學家能夠捕捉到各種元素的行為，因為每種元素都有其特有的能級。當研究一個復雜的分子時，實驗人員將能夠觀察到特定元素發生了什么變化——這是X射線源比超快光學激光器具有的優勢。因為在超快光學激光器中，這些信息是混雜在一起的。阮瓊麗對此表示，LCLS-II的新儀器將能夠同時測量電子和原子信息。這就可以觀察到比以前更復雜的系統。

為了升級直線加速器相干光源，SLAC的科學家們建造了一個超導加速器(左)來取代部分直線加速器。用戶將可以使用新的LCLS- II(藍色)和原來的LCLS(紅色)的X射線激光器。

升級后的XFEL成為超導加速器，由美國費米實驗室和托馬斯杰斐遜國家加速器裝置建造的37個低溫模塊組成。勞倫斯伯克利和阿貢國家實驗室開發了新的波動器。該項目還包括建造兩個新的低溫裝置，將所需的4噸液氦冷卻到4K(詳見《今日物理》雜志，2023年9月，第18頁)。

新的加速器將與LCLS現有的非超導銅線版并行工作，后者盡管脈沖速率和強度較低，但產生的光子束能量高達25 keV。在預計于2027年或2028年完成的另一次升級之前，使用硬X射線(5-20keV)的實驗人員將繼續使用LCLS。這次升級將使LCLS-II的能力擴展到硬X射線譜段。

“硬X射線可以在埃(10?¹?米)的尺度上看到原子結構。”舍恩萊因說道：“科學需要兩者兼而有之，因為電子的行為不能獨立于原子結構之外。”

兩代LCLS的結合將使研究人員能夠捕獲快速過程中詳細的高分辨率快照，探測其他光源無法達到的精細樣品，并在更短的時間內收集更多數據。LCLS-II也將大大增加SLAC裝置可容納的實驗數量。

由于LCLS可以連續輸出波，所以它實際上也補充了歐洲的XFEL實驗，后者是以脈沖形式產生X射線。德國設備的優勢在于其高脈沖功率和高光子能量，非常適合從單個脈沖收集足夠數據的晶體學和材料科學等實驗。