美SLAC实验室硬X射线自由电子激光器升级成功

2020-07-20 16:15

2009年4月，世界上第一台硬X射线自由电子激光器（XFEL）在美国能源部的SLAC国家加速器实验室产生了第一束光。直线加速器相干光源The Linac Coherent Light Source（LCLS）产生的X射线脉冲比以往任何光源都要亮十亿倍。从那时起，它的性能就已经在许多科学领域带来了新的见解，从创建化学“分子电影”到研究新一代药物的蛋白质的结构和运动以及复制我们太阳系的巨型行星中“钻石雨”的产生过程。

SLAC国家加速器实验室于2013年启动LCLS－II项目，以将X射线激光器功率提高数千倍，并每秒产生一百万个脉冲。而目前每秒仅能产生120个脉冲。项目升级预计将于两年内完成。

硬X射线自由电子激光器的工作原理分两步。首先，它们将强大的电子束加速到接近光速。然后，它们让光束通过一种被称为波动器装置内的一系列精密调谐的磁铁，这种波动器能够将电子能量转换成X射线的强烈脉冲。这些脉冲只有百万分之一秒的长度，以至于它们可以捕捉到化学键的诞生，并产生具有原子分辨率的图像。LCLS－II项目计划为实验室安装一个全新的加速器，该加速器能够使用低温超导技术来实现前所未有的重复率，以及安装一个可以精确控制X射线光束的波动器。

在过去一年半的时间里，实验室原始的LCLS波动器被两个具有全新功能的全新系统所替换。每一个波动器都包含数千个延伸超过100米的磁体；它们共同产生的磁场比地球磁场强数万倍，产生的力相当于几吨的重量，同时磁铁的结构不会扭曲超过人类头发丝宽度的百分之一。

新波动器由美国阿贡国家实验室设计，劳伦斯伯克利国家实验室建造，并在过去一年安装在SLAC国家加速器实验室。SLAC加速器实验室的科学家能够通过新的“硬X射线”波动器中的磁铁阵列引导现有LCLS加速器的电子束。在短短几个小时的时间里，他们产生了第一个X射线信号，然后精确地调整了配置，最大化X射线激光性能。

伯克利实验室工程部主任Henrik von der Lippe表示：“生成第一束光是我们都期待已久的里程碑。这一科学设施将促成新的科学研究。”