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小小钻石镜,X射线激光大升级

2021-08-29 19:38     来源:科学网     X射线自由电子激光

12年前,物理学家开启了第一台X射线激光器。从那时起,它和世界各地的其他一些装置已经证明它们对材料和分子的革命性意义。但是这种被称为X射线自由电子激光器(XFEL)的装置只是部分类似于激光。与传统激光器发出的纯单波长光相比,它们产生的是混乱的光束。现在,物理学家正在开发一种方案,利用完美的钻石镜使X射线脉冲更像普通的激光束——甚至更有用。

现在有两家机构正在加紧进行原理验证实验——最早将于2023年进行。“我对这种技术的潜力感到兴奋。”马克斯·普朗克化学能源转换研究所的化学家Serena DeBeer说,“这种光束可以用来研究酶催化反应的内部机制。但是欧洲XFEL的X射线物理学家Harald Sinn警告说,这样复杂的XFEL的实现可能需要10年时间,而且不容易。

第一个自由电子激光器在20世纪70年代问世,它产生波长更长的微波。直到2009年,美国SLAC国家加速器实验室的物理学家才实现了“硬”X射线,他们用实验室3公里长的线性加速器点燃了世界上第一个XFEL——直线加速器相干光源(LCLS)。此后,其他国家陆续建造了6个XFEL。

单个XFEL脉冲可以从一个纳米尺寸的晶体上散射出来,并显示后者的原子结构。生物学家已经用XFEL确定了无数蛋白质和其他分子的结构,这些蛋白质和分子不会形成足够大的晶体,无法在较低强度的X射线源下进行研究。但是,由于XFEL利用电子束密度的波动来产生X射线,因此,每个脉冲的强度不同,并且每个脉冲都有一个宽且随机分布的波长光谱。

美国阿贡国家实验室的加速器物理学家Kwang-Je Kim说,为消除这些“噪音”,物理学家转向了一个酝酿了几十年的想法。这个想法是提取一束电子产生的部分X射线脉冲,并及时将其反馈到波荡器的入口,以便与下一束电子重叠。再循环的X射线将作为“种子”,使电子辐射更可预测。在重复的周期中,X射线脉冲应该会变得非常平滑,波长的范围只有普通XFEL脉冲的1/1000宽。

然而,这个计划需要非常特殊的镜子。X射线能穿透大多数材料,完美的晶体应该以一定的角度反射X射线,这取决于X射线的能量以及晶体的结构和方向,因为X射线会从晶体中原子的平行平面上衍射。这种晶体也应该起到滤光片的作用,因为它能在很窄的波长范围内反射X射线。这种晶体镜一直是科学家的梦想。2010年,阿贡国家实验室的X射线物理学家Yuri Shvyd ko和同事发现,小型人造钻石能以99%的效率反射X射线。幸运的是,XFEL的光束宽度不到100微米。“它不需要一个大的晶体。”Shvyd ko说,“只需要一个完美的小尺寸晶体。”

该方案还需要一个高重复率的线性加速器,以确保X射线在绕镜时遇到一束新的电子。鉴于原来的加速器太慢,SLAC正在安装一个新加速器,从2022年开始,该加速器将以每秒100万次的速度运行。

为测试这些基本元素,来自阿贡国家实验室、SLAC国家加速器实验室和日本Spring-8实验室的物理学家计划用4块晶体镜在4个LCLS波荡器周围建造一个60米长的腔体。通过SLAC现有的加速器,他们将发射两束相隔220纳秒的电子通过波荡器,并希望证明来自第一束的再循环X射线使第二束辐射更有效。该系统将于2023年启动并运行。

欧洲XFEL的研究人员则计划在2024年前进行一种稍微不同的尝试。他们希望通过波荡器发射多达2700个电子束,并能观察到激光束在每次经过时变得更强、更平滑。

德国汉堡大学的X射线物理学家Patrick Rauer在计算机上模拟了欧洲XFEL项目,他表示,该方案将需要极高的精确度,需要将毫米大小的钻石以百万分之一的精度排列。“这是一个大问题,”Rauer说,“这将非常困难。”德国电子同步加速器实验室的加速器物理学家Ilya Agapov说,当循环的X射线加热镜子时,保持校准将更为困难。

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