世界最强X射线激光器升级:每秒1百万次射线脉冲

新鲜人

2016年04月07日 08:21 新浪科技




　　图为艺术家所绘的概念图，展现了电子从加速器空腔中飞过的场景。这些空腔将产生能量极大的激光束，每秒钟将产生一百万次X射线脉冲，远远超出任何现有的、或正在设计中的X射线激光器。

　　

　　未来的LCLS-II X射线激光器（蓝色所示）将被放置在现有的LCLS加速器（红色所示）旁边。LCLS占据了斯坦福直线加速器中心加速隧道的最后三分之一。安装LCLS-II时，原铜加速器的前三分之一将被替换成超导加速器，每秒能产生一百万次X射线脉冲。

　　

　　这些铌金属超导腔位于一连串地下低温恒温器中，当电子从加速器中快速飞过时，能量将大大增加。这一过程所需的能量来自于地面上产生的高能量射频场。

　　新浪科技讯 北京时间4月7日消息，据国外媒体报道，世界上最强大的X射线激光器将进行一次价值10亿美元（约合64亿人民币）的升级。加州的科学家们将为直线加速器相关光源（Linac Coherent Light Source，简称LCLS）添加一道新的激光束，亮度是原先的10000倍，速度是原先的8000倍，从而提高该激光器的功率。

　　这道新激光束名为LCLS-II，将帮助科学家更好地看清原子在生命系统中的运动方式。研究人员称，该激光器的能量得到提升之后，将帮助我们在电器、能源和医学等领域做出新的发现。

　　“LCLS-II将使X射线科学向前迈进一大步，为我们敞开一系列超快、超小物质相关研究的大门，” LCLS的主管迈克·杜恩（Mike Dunne）说道，“这将大大增强我们研发未来新科技的能力，如新奇的电子产品、救命的药品和富有创新精神的能源解决方案等。”

　　此次升级将到2020年才能最终完成，LCLS将于2018年关停一年时间。每年都有数百名科学家使用LCLS，以前所未有的精细程度一窥大自然最基本的物理过程。他们可以看到分子是如何形成或打破化学键的，还能看到电流在材料中迅速排布时、是如何充电的。

　　要想使激光束的亮度达到原来的10000倍，激光束每秒需要产生1百万次X射线脉冲。新加入的X射线激光束将和已有的激光束一起运行，每道激光束将占据斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，简称SLAC）2英里（约合3.2公里）长的直线加速隧道的三分之一。

　　和目前的设备一样，LCLS-II将使用加速到接近光速的电子来产生亮度极高的X射线激光束。这些电子从一连串磁体中间飞过（这一装置名叫波荡器），迫使电子按照弯弯曲曲的路径飞行，并以X射线的形式释放出能量。但这些电子被加速的方式则与现在的有很大区别，从而使LCLS-II的能力得到了进一步加强。

　　我们现在采用的方法是，将电子放在一根处于室温的铜管中加速，每秒能产生120次X射线脉冲。但在研发LCLS-II时，研究人员将安装一台超导加速器。之所以叫做“超导”，是因为它的加速器空腔由金属铌制成，在冷冻到零下456华氏度（约零下271摄氏度时），电流损耗几乎为零。

　　加速电子时，电子会从一连串这样的空腔中穿过，产生几乎连续不断的X射线激光束，每秒钟产生一百万次激光脉冲，平均比LCLS亮一万倍。

　　为了实现此次重大升级，斯坦福直线加速器中心已经与另外四所国家实验室（阿贡国家实验室、伯克利实验室、费米实验室和杰弗逊实验室）以及康奈尔大学共同组建了一支研究团队，每个实验室都将为项目筹划、组件设计、获取和装配做出重大的贡献。(叶子)