位于美国加利福尼亚州的一个升级版的粒子加速器，即将为一些令人难以置信的科学提供动力。 上图：SLAC 国家加速器实验室的直线加速器大楼。 科学家们正准备释放一种异常强大的 X 射线束，这将有助于揭示宇宙如何在最微小尺度上运行的秘密。由于科学家们对位于加利福尼亚州门洛帕克（Menlo Park）的2英里长的粒子加速器进行了升级，才使得这种光束成为可能，该加速器将会把电子激发到光速的 99.9999999%（大约每小时 6.7 亿英里），从而产生有望解开光合作用基础和材料如何导电等谜团的图像。 SLAC 国家加速器实验室的新X射线，将比之前的装置产生的X射线亮1万倍，这一改进将开启材料和原子研究的新时代。这类科学逐渐改变了我们对更大事物的理解，比如电网、计算机和新药物。 现在需要做的工作就是，把加速器冷却到-456华氏度，并调整整个结构，这样穿过它的电子就能以足够快的速度产生每秒100万次的X射线脉冲。激光的冷却从三月开始，应该在四月底结束。 去年秋天，加速器委员会实验室副主任安德鲁·伯里尔就曾表示：＂就科学而言，这对国家和世界都很重要，因为通过科学进步，我们都得到了更好的智能手机，可以与遥控器交谈，以及所有这些我们可以制造的东西。我们大多数人都认为这些东西是理所当然的，大多数人并不关心冰箱是如何工作的，他们只想让它工作。我们的智能手机也是如此，我们的互联网提供商也是如此。但通过这些科学进步，它有助于改善所有这些事情。＂ 这种新型激光器被称为＂Linac（用于直线加速器）相干光源-II＂，简称 LCLS-II，它将与已有 13 年历史的前身一起工作。最初的 LCLS 是世界上第一个硬 X 射线自由电子激光器 —— 这意味着它通过围绕未附着在原子核上的电子移动产生最高能量的 X 射线（电磁光谱上伽马射线之前的最后一站）。LCLS 会在 2 英里长的管子中加速电子，每秒产生120个 X 射线脉冲。 在加速器的远端，研究人员将 X 射线束对准他们的实验，生成的图像远比任何拍摄骨折的图像都要详细得多。 新的 LCLS-II 功能类似，但其使用超导体使 X 射线输出跃升至每秒100万个脉冲 —— 超过了今天任何其他设施的能力。 上图：2021 年 10 月对 LCLS 的激光束线进行维护。 LCLS-II 对改善日常科技有重大意义。除非你非常固执，否则你今天使用的手机和你在2010年使用的手机肯定是不一样的。事实上，你十年前用过的手机电池很可能早就坏了。但在去年，LCLS的研究人员发明了一种新的电池设计，它可以将一个重型电池组件的重量减轻80%，并能自动熄灭任何电池火灾。对药品和智能手机等现代产品的改进，是在最小的尺度上进行的（在原子层面上解决问题），这改变了我们日常生活中宏观物体的形状和设计。 【 仪器 】 在SLAC 国家加速器实验室，不同类型的调查（无论研究人员是在探索有机材料还是爆炸小块金属）会使用不同的仪器。 LCLS-II 的 X 射线脉冲升级将全面提供帮助，使科学家能够在分子尺度上拍摄反应的电影。 以每秒一百万次脉冲的速度，SLAC有效地将这些分子电影从定格动画升级到了4K。 例如，相干 X 射线成像仪器可用于观察蓝藻中的蛋白质在被激光粉碎时如何反应。 LCLS-II 将提高科学家对该反应的了解程度。哥伦比亚大学的生物物理学家詹姆斯·巴克斯特说：＂目前，我们的想法是，我们在 X 射线束前进行采样（以捕捉反应），但由于 X 射线之间存在间隙，很多东西被浪费了。但是，当我们有更多的 X 射线进入时，我们将获得更多的照片，以更快、更有效的方式获得数据，而样本更少。＂ 上图：一名研究人员举起一根针，该针在相干 X 射线成像仪器中发射样本。 想象一下狂欢舞会上的闪光灯。如果频闪灯闪得足够快，你基本上会感觉灯是常亮着的。如果那种闪烁是错开的，你只能瞥见黑暗之间的房间。生物物理学家詹姆斯·巴克斯特指出，＂这些实验很有趣＂，这可能是另一种与狂欢的相似之处。像詹姆斯·巴克斯特这样的研究人员被称为用户，他们在进行实验时会接管给定的仪器三到五天。 SLAC 附属的束线科学家随时为他们提供现场支持，并可以根据研究人员的规格编辑电子束。 去年10月份时，康奈尔大学的物理学家安德烈·辛格和他的团队正在 SLAC 使用 X 射线相关光谱仪，来观察钌酸钙样本是如何从绝缘体跃迁到金属的 —— 这种转变大大减少了材料的电导率，并在皮秒内发生。（LCLS图像的时间尺度为飞秒，也就是皮秒的千分之一，而皮秒本身就是万亿分之一秒。）安德烈·辛格表示：＂我们对超快时间尺度下的凝聚态物质系统成像感兴趣。使用LCLS-II，我们将能够将分辨率提高五到十倍。显然，我们将会看到我们现在看不到的东西。＂ 【 激光 】 在这些实验大厅的任何一天，构成我们周围世界的基本过程都被探索或推到了极限，从实验中收集的数据被无情地询问。大厅里装饰着 Hello Kitty 壁纸、luchador 纪念品和涂鸦，展示了在强大设备中工作的许多个性。携带来自加速器的 X 射线的管道穿过实验舱，就像研究人员在轮到他们进行实验时汲取的高能血液一样。当激光启动时，每个房间都会亮起明亮的紫色指示灯。 上图：SLAC 科学家的大量涂鸦。 线性加速器中有一个广泛的警报系统，以及在发生氦泄漏或辐射问题时可以躲避的房间。当接收端的研究人员准备进行实验时，他们会搜索小屋的四个角落，并大声喊出＂搜索！＂太平洋西北国家实验室的科学家伊利莎·拜辛解释道。一旦他们确定小屋里没有人，就会有特殊的门将房间与建筑物的其他部分密封起来。 ＂X 射线很危险，因为它们可以电离物质，＂伊利莎·拜辛说，＂没有人会希望自己身体的软组织之类的东西被电离。＂ 斯坦福大学的物理学家、SLAC的帕诺夫斯基研究员本杰明·奥弗里-奥凯解释说，被激光束击中可以把材料＂变成汤＂。他说，这种反应从附近传来，听起来就像＂砰＂的一声。 这些物质变成的＂汤＂就是等离子体，这是一种很难处理的材料。但LCLS派上了用场。本杰明·奥弗里-奥凯说：＂等离子体倾向于反射很多光，这意味着如果你想用光来询问它，是困难的。但X射线是个例外。事实证明，X射线能很好地穿透等离子体。所以这就是为什么LCLS作为一种工具，在探索这类复杂系统方面具有独特的能力。＂ 【 管道 】 LCLS-II 比它的前辈能够管理更多的脉冲，因为它不是将电子送入铜管，而是将它们发射到一系列超导铌金属腔中。如果，你试图通过LCLS铜管发送这么多电子脉冲，它们（铜管）就会熔化。 这37个超导管被称为低温模块，因为它们的超导能力是由于它们接近绝对零度的温度。低温模组将被冷却到-456华氏度（2开尔文）。它们为电子提供了一个几乎无摩擦的路径来完成长达2英里的旅程。 LCLS-II 的电子将由电子枪产生，电子枪本身就是一个小型的加速结构。碲化铯光电阴极（光电阴极是将光子转化为电子的表面）被驱动激光用紫外光照射，发射出大量电子。枪内有一个激发粒子的射频场，它们被直接释放到第一个加速低温模块中。 最重要的是，一座核心的建筑贯穿了地下加速器的整个长度。 SLAC 人员经常将其描述为世界上最长、最直的建筑。这是速调管廊，之所以如此命名，是因为它装有 2500 磅、6 英尺高的罐子，这些容器可以产生微波脉冲，LCL电子可以在其上飞行。每个速调管的功率是微波炉的 60000 倍。利用这些脉冲有助于保持电子之间的自然排斥，使所有具有相同电荷的电子聚在一起，这对于在另一端产生X射线很重要。 除了廊中的速调管外，还有固态放大器，它们对 LCLS-II 的意义就如同速调管对原始 LCLS 的意义。这些放大器产生的射频，通过管道传送到下方约 25 英尺的低温模块中。 低温模组携带液氦，液氦在附近的一个称为低温工厂的建筑中冷却，该建筑是在过去四年里专门为线性加速器的过冷而建造的。冷冻装置里装满了装氮气和氦气的大桶，这是由前能源部长里克·佩里签署的。如果没有它，整个操作将是无用的。 上图：SLAC 的低温装置。 因为这些管子不是处于真空状态，而是低温模块中的电子处于真空状态，所以射频波穿过加速器一侧的陶瓷圆盘，该圆盘被称为窗口，它阻止空气进入真空，但允许波通过。一旦LCLS-II电子通过低温模组，它们就会以极快的速度在这列近乎光速的列车上行驶到最后一站。 这些止动装置是加速器末端的波动器，它使用一系列磁铁引导成组的电子通过管子。磁铁有交变的电荷，使电子基团来回反弹，同时发射X射线。这些X射线有两种类型：硬X射线，即所谓的能量（或＂亮度＂）大；另一种是软X射线，在处理样本材料时亮度较低，但更精细。还有柔韧的X射线，一种硬X射线和软X射线的混合，它可以提供对材料的独特一瞥，这些材料的成分在硬X射线和软X射线中都能更好地看到。在LCLS受脉冲率限制的情况下（因为SLAC不想熔化铜加速器），超导加速器会不间断地传输电子。 加速器委员会实验室副主任安德鲁·伯里尔说道： ＂现在有了更多的光子，就有更多的X射线可以用于科学研究。如果你在收集数据，每秒120次拍摄需要很长时间。但每秒一百万次，根本不需要花任何时间。＂ 【 实验室 】 在 LCLS- II 和 LCLS 之前，SLAC就存在了。1962年，斯坦福大学的物理学家创立了SLAC，他们想要了解宇宙的基本组成部分。SLAC是旧金山南部的一群实验室，它们创造了非凡的科学成果。SLAC 的第一个发现与基本粒子无关。在挖掘现场时，工人们偶然发现了中新世哺乳动物的骨骼化石。然而，自从第一次发现以来，他们主要关注物理学，SLAC 的科学家们已经获得了四项诺贝尔奖（一个是化学奖，三个是物理学奖），后者是因为发现了粲夸克（1976 年），即夸克粒子物理模型（1990 年）和 tau 轻子（1995 年）。 上图：研究人员评估 ChemRIXS 仪器的性能。 在SLAC多年的研究中，一些科学家意识到他们可以利用碰撞实验的一个副作用：当电子改变轨道时，它们会发出辐射。这种副作用对于试图观察粒子碰撞的人来说是很烦人的，但对于任何试图获得高能X射线成像的人来说，这是非常有用的。 非凡的 LCLS-II 项目已接近尾声，但最后的步骤既重要又复杂。低温工厂的负责人埃里克·福夫表示，＂现在正在进行冷却。我们预计将在2022年秋末实现制造X射线的首个光的里程碑。＂ 但是，任何一个价值数百万美元的物理项目，不仅有其下一次升级的计划，而且还有之后的升级计划。一些研究人员，包括本杰明·奥弗里-奥凯和试图发现暗物质的物理学家，正期待着 LCLS-II 的高能更新，也许被称为 LCLS - II - HE 更合适。 本杰明·奥弗里-奥凯说：＂记住，当SLAC成立时，它还是一个粒子物理实验室。LCLS可以说是SLAC目前的主要价值产品，或者至少是它最外在的投射，它并不存在，没有人认为它会成为一种东西。在高能物理学中，根本没有人关心飞秒X射线脉冲的概念。 ＂ 这当然已经改变了，尽管 LCLS-II 的X射线脉冲很快就会被一些更好的技术所取代。但从每秒120次脉冲到100万次脉冲的飞跃是具有纪念意义的。因此，在继续进行下一件大事之前，也许值得细细品味这些明亮的 X 射线，以及制造它们所需的大量机器、物流和人员……哪怕只是一飞秒。 如果朋友们喜欢，敬请关注＂知新了了＂！