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新型SLAC X射线激光器发射出第一束光子

2023-11-24 15:21     来源:中国同位素与辐射行业协会     X射线装置直线加速器
升级后的直线加速器相干光源有望在材料研究、化学、生物学和其他领域提供巨大的新能力。

在这张航拍照片中,可以看到一个低温装置和SLAC 3.2千米长的直线加速器的一部分。

世界上最强大的X射线激光器,位于SLAC美国国家加速器实验室的直线加速器相干光源II(LCLS-II)于9月12日正式发出了第一束X射线。该X射线自由电子激光器(XFEL)耗资11亿美元,经过十多年的升级改造,现在每秒能够发射100万次X射线脉冲,是2009年开始运行的第一代LCLS的8000倍。每个脉冲的亮度是第一代LCLS的10000倍。

这台新机器使美国的XFEL工厂重新成为世界上五个XFEL中表现最好的工厂,超过了在德国谢讷费尔德运行了六年之久的欧洲XFEL工厂。LCLS-II实验于11月开始。

SLAC科学家孟亮检查LCLS X射线成像仪器

LCLS科学副主任罗伯特·舍恩莱因表示:“LCLS-II将能够进行第一代XFEL无法实现的全新实验。它的几飞秒长的脉冲将大大提高LCLS一直在制作的‘分子电影’的保真度,以显示化学反应过程中发生的亚原子相互作用。如果想了解光收集过程或电荷转移过程,这些过程推动了能量储存和转化的化学反应,我们就需要对价电子有新的认识。”

LCLS的副科学家阮琼丽表示:“LCLS- II大幅提高的X射线强度,将为那些试图设计具有新特性材料的研究人员,提供更多的数据和更强的信号。改进后的表征可以与人工智能相结合,为电子、能源存储和航空航天等一系列应用设计新材料。激光X射线也可以用来进一步改变新设计材料的特性。”

舍恩莱因还说道:“LCLS-II可以更好地阐明蛋白质等生物大分子的结构,并可以观察蛋白质折叠和光合作用等生物过程。可以每天拍摄十亿张快照,并在接近生理环境下绘制出生物结构的整个组合图。”

LCLS-II的X射线能量可以在250 eV到5000 eV范围内调整。这种调整使科学家能够捕捉到各种元素的行为,因为每种元素都有其特有的能级。当研究一个复杂的分子时,实验人员将能够观察到特定元素发生了什么变化——这是X射线源比超快光学激光器具有的优势。因为在超快光学激光器中,这些信息是混杂在一起的。阮琼丽对此表示,LCLS-II的新仪器将能够同时测量电子和原子信息。这就可以观察到比以前更复杂的系统。

为了升级直线加速器相干光源,SLAC的科学家们建造了一个超导加速器(左)来取代部分直线加速器。用户将可以使用新的LCLS- II(蓝色)和原来的LCLS(红色)的X射线激光器。

升级后的XFEL成为超导加速器,由美国费米实验室和托马斯杰斐逊国家加速器装置建造的37个低温模块组成。劳伦斯伯克利和阿贡国家实验室开发了新的波动器。该项目还包括建造两个新的低温装置,将所需的4吨液氦冷却到4K(详见《今日物理》杂志,2023年9月,第18页)。

新的加速器将与LCLS现有的非超导铜线版并行工作,后者尽管脉冲速率和强度较低,但产生的光子束能量高达25 keV。在预计于2027年或2028年完成的另一次升级之前,使用硬X射线(5-20keV)的实验人员将继续使用LCLS。这次升级将使LCLS-II的能力扩展到硬X射线谱段。

“硬X射线可以在埃(10⁻¹⁰米)的尺度上看到原子结构。”舍恩莱因说道:“科学需要两者兼而有之,因为电子的行为不能独立于原子结构之外。”

两代LCLS的结合将使研究人员能够捕获快速过程中详细的高分辨率快照,探测其他光源无法达到的精细样品,并在更短的时间内收集更多数据。LCLS-II也将大大增加SLAC装置可容纳的实验数量。

由于LCLS可以连续输出波,所以它实际上也补充了欧洲的XFEL实验,后者是以脉冲形式产生X射线。德国设备的优势在于其高脉冲功率和高光子能量,非常适合从单个脉冲收集足够数据的晶体学和材料科学等实验。

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