如何制造比太空更冷的X射线激光器

　　交付给 SLAC 的低温模块，用于增强 X 射线束。Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC 国家加速器实验室
　　物理世界正在围绕欧洲核子研究中心的大型强子对撞机进行集结，经过 长时间的升级和长达数年的停顿后，它现在上线了。但这并不是唯一真正接收新能量的科学机器。近 6,000 英里外，在地球的另一端，另一座正在进行最后的润色。
　　位于旧金山南部的 SLAC 国家加速器实验室拥有一个名为 LCLS 的大型激光器，科学家可以使用 X 射线来观察分子。考虑像 LCLS 这样的设施的方式实际上是超分辨率显微镜 。
　　现在，LCLS 刚刚完成了一项名为 LCLS-II 的重大升级，该升级使激光下降到仅比绝对零高几度。 赋予粒子加速器新的生命
　　半个世纪前，SLAC 的隧道安装了一个粒子加速器。虽然今天大多数粒子加速器都让他们的猎物绕着圈子旋转，但这个加速器是完全笔直的。为了使电子达到粉碎的速度，它必须超过 2 英里长。在它开放后的几十年里，它是＂世界上最长的建筑＂。（这条隧道非常独特，一条数英里长的直线刻在山麓上，飞行员用它来寻路。）
　　当它在 1966 年上线时，这个所谓的斯坦福直线加速器是一个工程奇迹。在接下来的几十年里，在那里进行的粒子物理学研究获得了不少于三项诺贝尔物理学奖。但到了 21 世纪，它已成为某种遗迹，被欧洲核子研究中心和其他地方的其他加速器超越，这些加速器可以粉碎更高能量的粒子，看到斯坦福看不到的东西。
　　但那座 2 英里长的建筑仍然存在，2009 年，SLAC 为其配备了一台新机器：直线加速器相干光源 (LCLS)。
　　LCLS 是称为 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 的设备的一个示例。虽然它是激光，但它与激发小猫的小型手持激光笔没有太多共同之处。那些使用二极管等电子元件产生激光束。
　　另一方面，XFEL 与粒子加速器的共同点要多得多。事实上，这是激光的第一阶段，将电子束加速到非常接近光速。然后，这些电子通过一圈磁铁，迫使它们以之字形快速折返。在此过程中，电子以 X 射线的形式将其巨大的能量向前发射。
　　电子枪是光束的来源。Marilyn Chung/伯克利实验室 通过 SLAC
　　这样做可以产生从微波到紫外线到可见光的各种电磁波。但科学家更喜欢使用 X 射线。这是因为 X 射线的波长约为原子大小，当聚焦在强大的光束中时，科学家们可以窥探分子内部。
　　LCLS 与世界上大多数其他 X 射线源不同。加州光束就像闪光灯一样工作。每次闪光都会捕捉到该分子在特定状态下的运动。
　　LCLS 最初每秒可以拍摄 100 次闪光。这让科学家们可以制作一部关于化学反应发生的电影。他们可以观察原子之间的键形成和断裂，并观察新分子。它可能很快就能制作帧速率快数千倍的电影。冷却激光
　　在其第一次迭代中，LCLS 使用铜结构来加速其电子。但是增加整台机器的功率正在推动铜的极限。铜只是拉动了过多的电流，所以它会熔化，就像你在保险丝盒中熔断一根电线一样。
　　有一种方法可以解决这个问题：称为超导性的奇异量子效应。
　　当您将材料降低到某个临界温度以上时，它的电阻几乎会下降到零。然后，您可以在功能上使电流无限期流动，而不会像热量一样向周围环境损失能量。
　　LCLS 远不是第一个使用这种技术的激光器。问题在于，达到这个温度——通常只比绝对零高几度——可不是件小事。
　　支持这些冷却到极低温度的低温系统变得非常困难。有些超导材料的工作温度略低一些，但它们都不能在数百英尺长的空间中工作。
　　较小的设施可能会受到这一挑战的困扰，但 SLAC 在结构的一端建造了一个仓库大小的冰箱。它使用液氦将加速器冷却到 -456 F。
　　超导还具有使装置更节能的好处。大型物理设施因使用与小国一样多的电力而臭名昭著。在某种程度上，超导技术本身就是一种绿色技术，因为只有很少的加速器能量会转化为热量。
　　升级完成后，新的和改进的 LCLS-II 将不仅能够提供每秒 100 个脉冲，而且可以提供多达 100 万个脉冲。如何处理每秒一百万帧
　　光束可以在三个主要领域推动科学发展。一方面，X 射线束可以帮助化学家弄清楚如何使用更少的材料使反应更快，这可能会导致更环保的工业过程或更高效的太阳能电池板。
　　另一方面，该工具可以帮助生物学家进行药物发现等工作——研究药物如何影响人体中难以通过其他方法研究的酶。
　　第三，光束可以帮助材料科学家更好地了解材料在极端条件下的行为，例如 X 射线弹幕。科学家们也可以用它来设计新的物质——比如更好的超导体来建造像这样的未来物理机器。
　　容纳 SLAC 的直线加速器相干光源 X 射线自由电子激光器的长达数英里的设施。SLAC国家加速器实验室
　　当然，有一个问题。与对此类机器的任何重大升级一样，物理学家需要学习如何使用他们的新工具。你必须从头开始学习如何做这门科学,这不仅仅是你以前所做的……这是一个全新的领域。
　　科学家需要解决的一个问题是如何处理激光产生的数据：每秒 1 TB。这已经是大型设施面临的一个障碍，如果网络和超级计算机跟不上，它可能会变得更加严重。
　　即便如此，这并没有削弱物理学家对增强的热情。科学家们已经在计划在 2020 年代后期对激光器进行 另一次更新，这将提高其能量并使其能够更深入地探索原子世界。