全球最亮的 X 射线激光器将耗资 10 亿美元升级

有很多东西我们无法完全理解，因为我们无法看到它们。单个原子和分子可以以静态图像的形式被捕捉到，但捕捉视频以观察它们的运动需要更大的功率和更快的速度。为此，斯坦福大学 SLAC 国家加速器实验室（SLAC 以前代表斯坦福线性加速器中心）的研究人员使用以极快的速度（千万亿分之一秒）发射的 X 射线激光来制作化学反应的定格视频。这台激光器长近两英里。现在，它正在升级。

SLAC 昨天宣布，他们的 X 射线激光器 Linac 相干光源将进行升级，升级金额达 10 亿美元。该计划是拆除现有激光器的三分之一，并用特殊组件重建该部分，使其运行速度提高 8,000 倍，亮度提高 10,000 倍。新部分将被称为 LCLS-II。

LCLS 用于研究非常常见但又不常见的事物。通过从原子层面观察光合作用，我们或许能够弄清楚如何制造更高效的太阳能电池板。通过观察氢和氧之间的键是如何形成的，我们或许能够制造出更高效的燃料，LCLS 项目主管迈克·邓恩说。

“现在来看这些系统完全不切实际，”邓恩说。“如果你考虑一下照片和电影之间的区别，你就会明白 LCLS 向世界推出所经历的重大变化。”

LCLS 的工作原理是将 X 射线光谱中的太瓦级光以极快的速度引向一个地方。这些爆发本身仅持续飞秒，即千万亿分之一秒。在目前的运行条件下，该机器每秒可以发射 120 次爆发。升级后，LCLS 将能够使用相同的能量每秒发射一百万次爆发。虽然爆发发生得更频繁，但速度也更快，从而减少了每次爆发所消耗的能量。这就是为什么新一公里 LCLS 一秒钟的爆发将消耗与旧两公里相同的能量，而旧两公里都将继续运行。平均消耗的能量相同。总而言之，一次爆发所消耗的总能量与一杯热咖啡的能量相当。

邓恩表示，新部分将用于不需要太多光线但非常依赖时间的事物。如果科学家想要观察氧和氢结合的精确飞秒时间，他们将通过 LCLS-II 获得更精确的数据。但对于有机组织等更致密的样本，SLAC 团队将默认使用更强大的 LCLS-I，它更亮但速度更慢。

实际升级主要集中在“超导加速器”上。现在，激光器的大部分导电材料都是铜，就像大多数家庭的电线一样。超导加速器将利用一种主要由铌制成的化合物，铌是一种用于喷气发动机和火箭的金属。当铌化合物冷却到零下 456 华氏度时，它几乎以零电阻导电，使电荷能够在整个导体长度上更快、更有效地移动。

尽管有这些变化，新系统的工作原理与旧系统几乎完全相同。电子以近乎光速的速度沿着巨大磁铁之间的路径被抛出。磁铁将电子拉离其预定路径，从而发射出 X 射线。

正如人们所料，这两种方法都会消耗大量能源。邓恩说，这些项目的能源成本每年高达数百万美元。

此次升级工程由美国能源部资助，预计将于 2020 年代初投入使用。除 2017 年的 6 个月和 2018-2019 年的 12 个月外，X 射线激光器的现有部件仍将正常运转。