全球最强X射线激光器成功“点火”

美国在X射线激光器领域重新占据了全球领先地位。据《科学》报道，9月18日，位于加州SLAC国家加速器实验室（以下简称SLAC）的直线加速器相干光源II（LCLS-II），即所谓的X射线自由电子激光器（XFEL），产生了第一次X射线闪光。升级后的装置将支持从生物分子结构到行星核心条件研究的所有探索，产生数据的速度将是原始LCLS的8000倍，并在某些方面超过其主要竞争对手——位于德国汉堡附近的欧洲XFEL。

德国电子同步加速器实验室的X射线光学科学家Sa?a Bajt说：“一旦LCLS-II启动并运行，欧洲XFEL能做的任何事情都可以在LCLS-II上实现。”她说，这两台装置都为大型用户群体服务，但有些工作在新机器上会更容易。

SLAC的研究人员几乎在2009年初代LCLS问世时就开始计划这一耗资11亿美元的升级。拥有SLAC的美国能源部于2016年批准了该项目的建设。“过去几年是痛苦的、诱人的和令人兴奋的。”SLAC物理学家、LCLS主任Mike Dunne说，“但我们终于做到了。”

第一个自由电子激光装置建于20世纪70年代，但直到2009年，LCLS才将这一概念推向“硬”X射线——那些波长短到足以解析原子尺度细节的X射线。

XFEL为X射线研究开辟了新领域。它们强烈的闪光可以在一次照射中确定结晶蛋白的结构，避免重复的X射线照射造成的损伤。这种闪光也可以用于拍摄分子对普通激光反应的“电影”。美国阿贡国家实验室的原子物理学家Linda Young说：“你可以观察分子在自然时间尺度和长度尺度上的运动。”

2017年，日本、瑞士和韩国的LCLS和其他装置被欧洲XFEL超越。早期的装置采用了由铜加速腔制成的传统直线加速器。相比之下，耗资12亿欧元的欧洲XFEL部署了一台由超导金属制成的直线加速器。它必须用液氦冷却到接近绝对零度，但可以更快地产生电子脉冲。欧洲XFEL每秒能产生2.7万次X射线闪光——初代LCLS每秒只产生120次，并能同时进行多个实验。

为跟上欧洲XFEL的步伐，SLAC的研究人员用一台新的超导直线加速器替换了一段1公里长的旧的直线加速器，还用两个新的波荡器替换了原来的一串波荡器。经过这些改进和补充，LCLS-II最终每秒产生100万个X射线脉冲。

但是LCLS-II不仅比它的竞争对手快。欧洲XFEL以0.1秒的间隔产生突发闪光，其中闪光仅间隔0.25微秒。这种不规则的节奏和紧凑的间隔使得设计定时实验变得更加困难，并挑战了探测器的极限。相比之下，LCLS-II将产生连续的间隔1微秒的脉冲流。Bajt说：“这更容易操作，对探测器来说也更容易。”

尽管如此，欧洲XFEL将继续产生比LCLS-II更高能量、更短波长的X射线。事实上，相比旧的加速器，SLAC的新型超导直线加速器将以更低的能量运行，并产生波长更长的X射线。Dunne说，因此，在2030年完成耗资7.1亿美元的全新直线加速器升级计划之前，实验室将继续运行这两个加速器。