随着全球最强激光器的重大升级，科学家们将能够比以往更深入地探测微观粒子的奥秘。
美国能源部(DOE)已批准对直线相干光源(LCLS)进行升级，这是一种极为强大的x射线激光器，专用于科学研究。该激光器位于斯坦福大学附近的SLAC国家加速器实验室。
科学家们利用LCLS的x射线照射原子、纳米结构和分子，记录和分析宇宙的基本组成。这使他们能够捕捉到支配自然法则的原子过程，尤其在探索量子、能源和生物科学中的亚原子过程时极为重要。
这种自由电子激光器产生的光波长范围极广，其光束亮度比其他激光器高出几个数量级，强度也更为强大。LCLS的工作原理是将电子加速至接近光速，然后通过一组称为“波动器”的磁铁将其聚焦。这迫使电子以集中而明亮的光束释放光子，类似于增压x射线成像的过程。
LCLS x射线激光器的工作原理
LCLS位于一条长达2英里(3.2公里)的隧道中，该隧道最初是为1962年建造的粒子加速器而设。作为“LCLS-II”项目的一部分，它于2023年进行了首次升级。新硬件的加入使激光器的亮度提升至LCLS第一阶段的1万倍。LCLS-II的亮度比医院中的x光亮一万亿倍。它以每秒高达100万次脉冲的速度发射光束，每次脉冲仅持续几飞秒，正是光传播300纳米（约为病毒宽度）所需的时间。
这使得它能够逐帧拍摄化学过程的“电影”：2015年，科学家首次观察到化学键的形成，而在2023年，他们能够实时观察光合作用的各个步骤。这有助于我们理解从化学反应到新型太阳能电池的能量守恒。
该项目的一部分是增加了一个新的超导加速器，显著提升了激光中电子的加速速度。实现这些成果需要使用37个低温模块将粒子的路径冷却至接近绝对零度，使LCLS的温度降至-456华氏度(-271摄氏度)，比深空还要寒冷。
这些模块依次排列，形成LCLS-II激光发射的外壳。每个低温模块中都有射频腔，一旦冷却至极低温度，它们便能像超导体一样增强激光光束的能量输出。低温模块内含有过冷氦和超导射频腔，有助于冷却LCLS中使用的敏感材料，使其在无电阻或热量产生的情况下运行。
LCLS-II-HE的期待
最新的升级被称为“LCLS-II-HE”，将使LCLS-II的自由电子束产生的能量翻倍，总体亮度提升3000倍。这需要额外的23个低温模块进行进一步冷却。
为建造这些新组件，SLAC国家加速器实验室将与费米国家加速器实验室、密歇根州立大学的稀有同位素光束设施(FRIB)和托马斯·杰斐逊国家加速器设施合作。同时，它还将与劳伦斯·伯克利国家实验室合作，该实验室与阿贡国家实验室共同设计了LCLS-II中使用的波动器，以满足新的输出要求。
LCLS-II-HE的升级将是美国能源部基础能源科学和更广泛科学界的重大进展，”LCLS主任Mike Dunne在一份新闻稿中表示。“如果说升级后的LCLS-II使高质量的摄像机能够捕捉清晰细致的图像，那么升级后的LCLS-II-HE则大幅提升了摄像机的分辨率和灵敏度。科学家将能够对材料、化学系统和生物复合体的原子尺度运动进行成像，以应对我们社会面临的一些重大挑战。”
此次升级的费用为7.16亿美元，预计将显著提升SLAC国家加速器实验室的科学能力，该实验室由斯坦福大学代表美国能源部运营。目前，该组织预计升级将在2030年完成，尽管科学家们希望能更早进行试验，以展示激光器的全部潜力。
像LCLS这样的x射线激光器具有变革性的科学发现潜力。它们已被用于研究纳米技术和纳米材料的最佳结构，SLAC国家加速器实验室的代表表示，这可能有助于提高可再生能源技术和电池的能量密度。他们补充说，这项科学工作还可以扩展我们对纳米尺度生物过程的理解，以追求更好的药物制造。
一旦升级，LCLS每天将产生超过1pb的数据，这些数据可用于训练上述科学领域中部署的机器学习和人工智能(AI)模型。
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评论列表（4条）
我是的签约作者“svs”！
希望本篇文章《世界上最强大的x射线激光器将进行大规模升级，这将帮助我们更好地了解原子世界》能对你有所帮助！
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