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美国能源部建造世界上最亮的X射线激光器

2021-12-31 16:23     来源:cnBeta     X射线粒子加速器
在距离斯坦福大学一箭之遥的地下30英尺处,科学家们正在对一台激光器进行收尾工作,这可能从根本上改变他们研究宇宙组成部分的方式。明年完工后,林纳克相干光源II,或称LCLS-II,将成为美国能源部SLAC国家加速器实验室的第二个世界级X射线激光器。

第一台LCLS自2009年开始运行,创造了每秒120个光脉冲的光束。LCLS-II将能够达到每秒100万个脉冲,光束亮度是其前身的10000倍。它能够制造所有低于飞秒的脉冲。飞秒之于一秒,就像一秒钟之于宇宙的年龄。激光器的脉冲速度如此之快,它将使以前不可能进行的实验成为可能。


你可以把LCLS想成是一个具有原子分辨率的显微镜。它的核心是一个粒子加速器,来加速带电粒子并将它们导入光束的装置。然后,该光束通过一系列交替的磁铁(一个称为起伏器的装置),产生X射线。科学家们可以使用这些X射线来创造他们称之为分子电影的东西。这些是原子和分子运动的快照,在几万亿分之一秒内被捕获,并像电影一样串联起来。几乎所有科学领域的科学家都从世界各地赶来,用LCLS进行实验。除其他外,他们的分子电影显示了正在发生的化学反应,展示了恒星内部原子的行为,并制作了详细描述光合作用过程的现场快照。


尽管这两种激光器都能将电子加速到接近光速,但它们各自的方式不同。LCLS-II被设计为连续运行,这意味着它将产生大量的热量。一个铜腔会吸收太多的热量。这就是为什么工程师们转向了一个新的超导加速器,它由几十个40英尺长的设备组成,称为低温模块,设计为在绝对零度以上(-456华氏度)运行。它们由地面上的一个巨大的低温工厂保持在工作温度。


LCLS-II将允许科学家回答他们多年来一直试图解决的问题,包括分子系统内的能量转移是如何发生的?电荷转移是如何发生的?一旦我们理解了其中的一些原理,我们就可以开始应用它们来理解我们如何能够进行人工光合作用,我们如何能够建造更好的太阳能电池。

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