世界上最强大的X射线激光器即将投入使用

1652255688577097.png经过大规模检修,世界上最强大的X射线激光器即将投入使用。作为斯坦福大学直线加速器相干光源(LCLS)的强大升级,LCLS- II利用比深空更低的温度将电子加速到接近光速并每秒发射一百万次X射线。

LCLS-II被称为硬X射线自由电子激光器(XFEL),这是一种设计用于以高分辨率和超快时间尺度捕捉微观物体图像的仪器。它的前身被用来成像病毒、再现恒星中心的条件、将水沸腾成比地核还热的等离子态、创造出尽可能大的声音并制造出可能落在海王星等行星上的“钻石雨”。

 

新完成的第二阶段的仪器将有更多的能力。LCLS-II的X射线脉冲将比它的前辈平均亮1万倍,每秒将发射100万个X射线脉冲–比最初的120个每秒的脉冲大幅增加。

LCLS-II的主任Mike Dunne说道:“在短短几个小时内,LCLS-II将产生比当前激光器整个寿命产生的X射线脉冲还要多的X射线脉冲。过去可能需要数月才能收集到的数据,现在则可以在几分钟内生成。它将把X射线科学提升到一个新的水平、为一系列全新的研究铺平道路并提高我们开发革命性技术的能力,从而应对我们社会面临的一些最深刻的挑战。”

LCLS-II的工作原理跟第一代相同–在电子进入“波动器”之前先产生电子,然后沿着一根长长的管道加速以使电子摇摆,并一直到它们从一边到另一边抛出X射线。

但现在,这一过程的每一步都有了升级。其中最大的革新是中间的加速器。之前电子是在室温下通过铜管发射的,而LCLS-II使用了一套37个低温模组,这可以将设备冷却到-271°C–比绝对零度稍高一点。它通过管道将液氦冷却剂从两个大型氦冷冻库输送到模块中来实现这一点。

在如此低的温度下,模块内的铌金属腔变为超导,从而使电子能以零电阻通过。微波为振荡的电场提供能量,电场在这些空腔内共振,另外跟通过的电子的节奏同步从而将能量传递给它们。这些额外的能量加速了电子,所以当它们通过所有37个低温模时,它们的速度接近光速。

接下来,电子进入波动器,波动器使用强磁铁将电子左右拉动从而使它们摆动并使它们发射X射线。新的波动器可以产生“硬”和“软”X射线,这对不同的目标都有用–硬X射线可以详细地成像单个原子,而软X射线可以显示原子和分子之间的能量流动。

该团队表示,随着低温模量在4月份达到低温,该仪器现在已经准备好进行第一个电子的测试。预计LCLS-II将在今年晚些时候开始产生X射线。一旦成功,预计该设施将为化学、生物、计算和量子力学提供新的见解。

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