法國格勒諾布爾的歐洲同步加速器輻射設施。(來源：Candé/ ESRF)
現在，一種產生強大的X射線束的新方法(地球上最亮的X射線)現在可以以驚人的分辨率創建物質的3D圖像。這個“極其出色的來源”上個月在法國的歐洲同步加速器輻射設施上正式開放，科學家已經在使用它來研究covid-19背后的冠狀病毒。這些X射線束將對化石，大腦，電池和無數其他有趣的物體的內部進行成像，直至原子尺度，從而揭示出空前的信息并推動科學研究的發展。
像您要弄斷骨頭一樣，典型的醫用X射線可以向醫生顯示有關您的特定骨折及其周圍組織的詳細信息。X射線會穿透人體，并被不同的組織以不同的速率吸收；一旦通過您，他們便擊中了探測器，并創建了熟悉的黑白X射線圖像。極其出色的光源產生的X射線比醫院使用的X射線強10萬億倍。有了這樣的光束，科學家們就可以創建骨折骨頭的3D圖像，如此詳盡，以至于他們可以看到骨折周圍血細胞中的各個原子。當然，您不希望被這種特殊的光束擊中-輻射的劑量將是致命的。
ESRF總干事Francesco Sette特別激動的一個領域是對大腦的結構和功能的研究，這最終可能會啟用類似于大腦的電子設備。他說：“這將是一次重大的革命，不僅對于神經科學，而且對于所有可能將人腦架構用于新一代設備的應用程序來說都是如此。”
使用同步加速器X射線成像，工程師可以深入了解創新材料，幫助航空和納米電子等領域。古生物學家可以研究化石的微小內部結構，而無需破壞其樣本。今年夏天，第一批能夠訪問“極度輝煌的資源”的研究人員使用它對死于covid-19的人們的整個肺部進行了成像，并且他們能夠在微觀水平上識別出以前看不見的病毒造成的損害。
同步加速器只是一個粒子加速器，它使用磁場將帶電的電子加速到如此高的能量，以至于它們發射X射線光(也稱為同步加速器光)。(例如，與大型強子對撞機不同，在同步加速器回路上滑動的粒子不會相互碰撞。)由快速循環的電子產生的X射線從加速器環中虹吸出來，進入44實驗室，稱為束線。研究人員然后使用這些光束對目標成像。在最近幾十年中，基于同步加速器的科學取得了各種突破，包括最近使研究人員能夠看到未孵化的恐龍蛋內部并閱讀被火山摧毀的古籍。
自1994年以來，法國格勒諾布爾的歐洲同步加速器輻射設施一直在運行。其X射線源的先前迭代已經是世界上最強大的;今年的升級將其功率提高了100倍。該設施于2018年12月關閉，開始過渡到極度輝煌的源頭。幸運的是，covid-19大流行并未延遲8月25日的正式開放，因為該項目比計劃提前了將近五個月。塞特說，研究人員已經在使用這些光束，同步加速器近期工作的最新成果最早應該公布。
使得這種重大升級成為可能的是針對1100個磁體的晶格進行的新設計，該磁體驅動圍繞844米圓環的電子。這些磁體不僅使電子向前加速，而且還給它們帶來輕微的“撞擊”，從而改變了它們的方向。方向上的微小變化是產生X射線的關鍵。
一位研究人員在歐洲同步加速器光束線之一上工作。(來源：Candé/ ESRF)
“當您偏離帶電粒子的軌跡時，您會發光”，Sette解釋說。“而這種光就是我們所說的同步加速器光。”
這是能量守恒定律的一個簡單問題：彎曲電子束以使其成環而不是直線傳播時，電子每次改變方向都會損失一點能量。失去的能量是光的形式。為了使發出的光在X射線頻率范圍內，您需要提供更強的磁性“彈跳”。新的磁體晶格設計使連續彎曲和重新聚焦電子束成為可能，從而無需大量的環形裝置即可產生大量的高能X射線光。
組織學是組織的微觀研究，可以被同步加速器科學極大地推動。如今，組織學家通過將組織切成許多非常薄的樣本并用染料對其進行染色以揭示微觀結構來進行研究。使用同步加速器成像，無需切片和染色樣品;研究人員可以對它們進行整體成像，創建高分辨率的3D掃描，以顯示有關其解剖結構的更多信息。
塞特說：“這被稱為'3D納米組織學'，這是醫學界的夢想。” “它代表了表演組織學的一次徹底革命。”
曾經使用歐洲同步加速器的先前版本進行研究的科學家是維克多·岡薩雷斯(Victor Gonzalez)，他是阿姆斯特丹國立博物館科學部的博士后研究員。岡薩雷斯定期使用同步加速器成像來研究具有數百年歷史的油漆樣品。他的作品最近發現了關于倫勃朗繪畫技術的細節。
“對于我的研究社區來說，ESRF升級非常重要，”岡薩雷斯在一封電子郵件中說。“新的設施先進的分析能力將使我們能夠比以往更快地分析貴重樣品。幾天前進行的一項實驗現在只需一個下午就可以進行!對我們來說，這意味著突然可以獲得大量數據，因此，新的機會可以了解歷史油漆層中危險的化學機理。”
現在，“極佳的信號源”已經啟動并運行，世界各地的科學家都可以在光束線上申請時間。這是一個競爭性過程-研究應用程序必須經過同行評審，然后科學家才能使用同步加速器。但是通過新的升級，原本可以花費數周的實驗現在可以在一天之內完成;曾經花費一天的時間僅需幾分鐘。
