世界上亮度最高的X射线机已经启动

LCLS-II X射线激光器的亮度前所未有，将使得记录光合作用和其他化学反应中的原子和分子行为成为可能。

世界上亮度最高的X射线机刚刚产生了创纪录的第一束X射线，这将使研究人员能够以无与伦比的细节观察原子、分子和化学反应。

这台机器名为SLAC国家加速器实验室的Linac相干光源II(LCLS-II)X射线激光器，最近完成了十多年前开始的升级过程。它所产生的X射线，平均比原始LCLS设施产生的X射线亮度高出10,000倍。

LCLS-II通过涉及激光、电子、微波和磁铁的复杂过程产生X射线。首先，研究人员使用紫外激光从铜板上击出电子，然后用一台发射强烈微波脉冲的装置将它们加速。然后，电子通过由数千个磁铁组成的迷宫。这使得它们来回摇晃并以可预测、良好控制的脉冲发射X射线。研究人员将这些脉冲照射到物体和材料上，以成像它们的内部结构。这些X射线的亮度是用于医疗程序的X射线的万亿倍。

LCLS-II产生的X射线变得更亮的部分原因是SLAC团队对电子通过的长达3公里的金属管进行了翻新，使用铌制成的内衬。当金属冷却到约-271°C时，铌金属可以承受前所未有的高能电子的照射。为了保持管道的适当冷却，团队不得不在地下安装一个巨大的低温冷冻装置。

还存在其他工程挑战：迷宫磁铁必须进行极其精确的校准，以确保X射线脉冲具有正确的形状，SLAC的Mike Dunne表示。“这个系统的每一个部分都必须同时正常工作。”

他和他的同事从2022年9月开始将电子送入铌隧道。在过去的12个月里，他们一直在校准机器的每一个部分，并逐步提高其功率。

“看到这种用于观察自然界活动的破坏性但强大的新技术的发明和建立，是一段令人难以置信的旅程，”澳大利亚拉筹伯大学的Nadia Zatsepin说道。“一开始有很多怀疑者说这台嘈杂、不稳定的机器(第一台LCLS)永远不会产生新的科学成果。现在，十多年过去了，使用这些X射线已经得到了广泛应用，并使我们能够以前所未有的细节观察生物化学过程在原子尺度上发生的情况。”

Zatsepin表示，LCLS-II将使研究人员能够制作生物学中各种过程的“分子电影”，例如哺乳动物的视觉、光合作用、药物结合和基因调控。

Dunne表示，该机器不仅能产生明亮的X射线，而且可以在极短的时间内产生大量的X射线，这使得研究人员能够观察技术上重要材料的内部情况，例如用于人工光合作用装置或下一代半导体的材料。他还表示，使用LCLS-II的X射线，研究人员还可以研究更复杂的生物分子，如蛋白质和酶的结构和功能。通过观察这些分子的行为，科学家可以更好地理解生物体内发生的化学过程，从而为药物研发和治疗方法的改进提供重要线索。

LCLS-II的高亮度和高能量X射线还可用于材料科学和凝聚态物理研究。科学家可以利用X射线来研究材料的晶体结构、电子行为和磁性特性，从而推动材料设计和开发的进步。此外，LCLS-II还有望在能源存储、催化剂设计和新型电子器件等领域发挥重要作用。

由于LCLS-II的亮度和分辨率都得到了显著提高，它将成为解决许多科学难题的强大工具。研究人员将能够观察到微观尺度上发生的快速和复杂的变化，揭示物质的行为和相互作用的细节。

LCLS-II的启用标志着X射线科学的重要里程碑，将为各个领域的研究人员提供前所未有的机会来深入探索物质世界的奥秘。随着这项技术的进一步发展和应用，我们可以期待更多令人兴奋的发现和突破，推动科学和技术的进步。

本文译自 New Scientist，由 BALI 编辑发布。