X射线激光，发射出有史以来最强大脉冲！

2024-05-23 16:42

近日，美国SLAC国家加速器实验室的科学家们在科研领域取得了重大突破。他们利用加利福尼亚的直线加速器相干光源（LCLS-II）设备，成功发射了迄今为止最强大的X射线脉冲。

这一脉冲的持续时间极短，在仅仅4.4万亿分之一秒（阿秒）的时间里，它就产生了近1太瓦的能量——比一座核电站年平均发电量高出1000倍。

LCLS-II是直线相干光源的升级版，坐落于美国能源部的SLAC国家加速器实验室，毗邻加州门洛帕克的斯坦福大学。该设备采用自由电子激光技术，将电子束加速至接近光速，并通过一系列磁场使电子束摆动，从而发射出强烈的X射线。这些X射线可用于成像微小物体，如分子，观察其内部原子间的相互作用。

LCLS-II每秒可以发射多达一百万个X射线脉冲，比早期的LCLS激光器多8000倍。当人们将增加的脉冲速率和每个脉冲增加的电子数量结合起来时，新设备的亮度是其前身的1万多倍。

值得一提的是，LCLS-II每秒可发射高达100万个X射线脉冲，较之前的LCLS激光器增加了8000倍。结合增加的脉冲速率和每个脉冲中更多的电子数量，新设备的亮度比其前身提高了1万多倍。此外，该设备可产生从10-50飞秒的短脉冲，对于低能量X射线，脉冲时间可延长至250飞秒，甚至能够制造小于10飞秒的极短脉冲。

有了这样短波长、短脉冲和快速重复的激光，科学家们可以使用这个设备来观察化学反应的发生。从本质上讲，每个脉冲都可以对参与反应的原子的构型进行成像，进而将这些图像串联起来，形成类似分子“粘土电影”的效果。在2018年，LCLS设施便已成功制作了一部关于人类视觉和光合作用中化学过程的电影，整个过程仅耗时1000飞秒。

LCLS-II不仅具有成像微小物体的能力，其精度更是高达1埃（10^-10米）。这一能力将使研究人员能够深入研究从生物系统到光伏和燃料电池等多个领域的原子过程。同时，该激光设备还将有助于科学家们进一步探索超导性、铁电性和磁性等物理现象。

升级的关键组成部分之一是安装了一些革命性的技术。早期的加速器在室温下运行，升级后的LCLS-II使用超导加速器组件，这使得它可以在接近绝对零度（-456°F或-271°C）的低温下运行。LCLS-II还具有更好的磁体来摆动电子束。

虽然LCLS-II刚刚开始运行，但早期LCLS加速器的成功让研究人员感到乐观。3000多名科学家使用了该设施，发表了1450多篇论文。这一强大的X射线脉冲发射器的未来应用前景广阔，预计将为科研领域带来全新的见解和突破。