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。JacquelineRamseyerOrrellSLAC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LCLSII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。MarilynChung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456F。
　　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LCLSII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1TB。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。